葉鈺斌 胡振華 王 禛 侯 慶

（江蘇師范大學科文學院，徐州 221116）

我國是能源大國，煤炭占能源生產(chǎn)總量的比重連續(xù)多年保持在75%以上，對于能源結構的意義非凡。在能源開采工作中，隨著巷道掘進量的增加，工作難度越來越大。目前，巷道掘進設備的自動化程度仍然偏低，影響了煤炭開采效率，同時可能引發(fā)一系列問題。因此，推動巷道掘進設備的自動化，實現(xiàn)鉆頭可自動調速的掘進機控制系統(tǒng)，將成為未來煤層開采工作的關鍵點。

鉆速自動調整的掘進機控制系統(tǒng)可以提高采煤效率、設備的可靠性、降低能耗，并且在深層煤層作業(yè)時具有自我調節(jié)、檢測功能。這將極大地減少人力資源，保障工作人員的安全。同時，方便人員分析礦山煤炭儲量與質量，降低企業(yè)的盈利風險，對于開采工作的路線規(guī)劃具有重大意義。

1 硬度檢測系統(tǒng)的構建

掘進機粉碎礦石主要依靠截割部來實現(xiàn)，機器上電后截割頭轉動帶動截齒運動，通過截齒運動對礦石進行持續(xù)沖擊，完成礦石切割[1]。根據(jù)鉆頭的工作原理，設計出一種能夠檢測礦石硬度的裝置。該硬度檢測裝置主要由壓力傳感器組成，安裝于截割部上且與截齒接觸。截齒沖擊礦石時受到反作用力。檢測裝置實時收集該作用力的數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)值作為下截齒的載荷，即當前巖層的硬度值。該數(shù)值變化象征巖層硬度的變化情況[2]。該檢測裝置的大致結構外形，如圖1 所示。

圖1 掘進機截割頭檢測裝置示意

首先，分析截割頭截齒工作的實際情況。截割頭上最先受到煤礦作用力的部位為其最前端和最外圈?？紤]檢測數(shù)值的精確性受煤礦巖層天然結構等偶然因素的影響，將檢測裝置結構設置在截割頭部位的截齒上，即在最前端安裝1 個裝置，在最外圈均勻安裝4 個裝置，共安裝5 個裝置[3]。工作時，每個裝置上的壓力傳感器實時收集數(shù)據(jù)，并對收集到的數(shù)據(jù)求取平均值，該均值即為當前巖層的硬度值。

其次，完善檢測裝置的硬件控制系統(tǒng)。裝置選用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進行數(shù)據(jù)處理，控制器編寫的算法應能夠滿足傳感器數(shù)據(jù)數(shù)值轉換的高精度需求。數(shù)據(jù)采集模塊采用壓力傳感器，能夠實現(xiàn)高精度的測量，滿足量程的基本要求。通信傳輸模塊為控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）總線方式，將數(shù)據(jù)準確無誤傳送給控制系統(tǒng)，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸和接收的作業(yè)。

裝置采用的CAN 總線通信方式，是一種可靠的計算機網(wǎng)絡技術，能使信號通過總線實時、高效率的進行傳輸，使控制單元通過總線共享數(shù)據(jù)信息，以此達到簡化設備、提高檢測精確度、提升裝置抗干擾能力、減少設備應用和生產(chǎn)的成本以及配合銜接控制系統(tǒng)工作的目的。此外，CAN 總線為多主方式工作，節(jié)點有不同的優(yōu)先級并且具有非破壞性仲裁技術，報文采用短幀結構使得數(shù)據(jù)出錯率較低。該數(shù)據(jù)通信方式效率高，且具備優(yōu)秀的可靠性和實時性，是將來傳感器智能化實現(xiàn)以及自動化控制的關鍵。

再次，完善檢測裝置的功能程序配置。系統(tǒng)使用C 語言完成各部分功能程序的編程，針對各個功能模塊分別編寫對應的動作實現(xiàn)程序。分析該控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程及要求，結合硬件部分構建的設備模型，匹配出對應的軟件功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、CAN總線通信、數(shù)據(jù)顯示模塊和主程序模塊等。檢測裝置軟件設計結構，如圖2 所示。過程中受到的載荷也在不斷變化，電機工作功率極不穩(wěn)定，使得電機長時間處于過載或欠載狀態(tài)，極易造成電機飛車、短路和斷相等故障，進而導致電機設備損壞，甚至威脅人身安全。

圖2 檢測裝置主要的軟件設計結構圖

最后，完成功能模塊的編寫并導入執(zhí)行動作程序后，對該軟件模塊系統(tǒng)上電進行初始化，初始化進程動作加載結束即表示設計的程序導入成功。同時，前往實地進行裝置的功能有效性檢驗。在截齒與煤礦巖層持續(xù)的沖擊過程中，傳感器不斷采集信號，通過CAN 總線實時傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋在液晶顯示屏上[4]。液晶顯示模塊樣式，如圖3 所示。

圖3 液晶顯示模塊樣式

2 變頻器的應用

在當前工程機器的作業(yè)場景中，設備最理想的工作狀態(tài)是能夠保持恒功率運行。然而，掘進機截割頭的工作主要依靠截割電機來驅動，在煤礦巷道工作過程中巖石的每層硬度都在不斷變化，導致截割頭工作

基于此，在實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計的同時提出對截割電機進行恒功率運行的調速方案設計。據(jù)現(xiàn)有技術列出6 種調速方式，包括液壓馬達調速、雙速電機調速、軟啟動方式、直流調速、開關磁阻電機調速以及變頻調速。分析現(xiàn)有的調速方式，結合實際應用，考慮安裝成本、過載能力等因素，得出使用變頻器調速是較好的選擇[5]。

變頻器主要由主電路和控制電路兩部分構成，主電路包括整流電路和逆變電路[6]?？刂齐娐纺軌蚩刂颇孀冸娐返拈_關、整流電路的電壓狀況，并且具有保護電路的功能。逆變電路受到控制電路的作用，將輸出信號轉換為任意頻率和電壓的交流信號。接收數(shù)據(jù)由PLC 進行計算處理，將動作信號發(fā)送到變頻器，變頻器再執(zhí)行相應的指令，以控制切換截割電機轉速[7]。變頻器工作原理，如圖4 所示。

圖4 變頻器工作原理

其工作原理可用公式表示，即

式中：N為電動機轉速；P為電動機極對數(shù)；s為電動機轉差率；f1為電動機供電頻率。分析式（1）可知，電動機的轉速和供電頻率成正比，可以使用變頻器持續(xù)改變電機的供電頻率，使得電動機轉子實現(xiàn)平滑調速。

3 鉆速控制環(huán)節(jié)的設定

截割不同硬度的煤巖會使掘進機承受的截割載荷產(chǎn)生較大的差異。設備正常掘進作業(yè)時，在截割硬度較小的煤層時應降低截割電機的轉速以避免能源損耗，而在截割硬度較大的巖層時應增大截割電機的轉速以提高工作效率，通過調節(jié)轉速可對設備性能進行一定的保護[8]。因此，設置不同的截割頭固定轉速擋，使用不同轉速擋位對不同硬度的煤巖層巷道進行沖擊粉碎。觀察并記錄不同擋位對不同硬度巖層的作業(yè)完成情況，通過匹配分析得出硬度閾值下對應的最佳轉速值。

截割轉速擋位數(shù)據(jù)，如表1 所示。根據(jù)所得數(shù)據(jù)情況將截割電機分為低速、中速和高速擋位。設置電機上電初始化空載運行時為低速擋。低速擋位適用于硬度值不大于5 MPa 的煤層巷道，中速擋位適用于硬度值為5 ～8 MPa 的混合巖層巷道，高速擋位適用于硬度不小于8 MPa 的全巖巷道。工作時，傳感器裝置在線檢測當前巷道的硬度，PLC 根據(jù)反饋的硬度值控制變頻器調頻，實時調整截割電機進行換擋。

表1 截割轉速擋位數(shù)據(jù)

首先，系統(tǒng)將PLC 與變頻調速技術相結合。若檢測裝置的檢測數(shù)據(jù)持續(xù)增大，則表示當前掘進過程中巖石的硬度在增加[9]。當數(shù)值增大且突破對應擋位的硬度閾值時，PLC 可自動控制變頻器實現(xiàn)截割電機轉速向高擋位切換。反之，數(shù)據(jù)下降時電機自動向低擋位切換，從而提高掘進效率并保護電機。

其次，完善鉆速調節(jié)裝置的硬件系統(tǒng)。將該控制系統(tǒng)的上位機作為檢測裝置的液晶顯示屏，下位機作為PLC。設備中的變頻控制器、主控制器和顯示模塊均采用CAN 總線通信方式。變頻器接收PLC 的控制指令，負責調整截割電機的轉速，截割電機運動中的各種參數(shù)均顯示在顯示屏上。

最后，完善鉆速調節(jié)裝置的功能程序配置。對CAN 總線進行初始化處理，其所接收的數(shù)據(jù)為從變頻器上獲取的電流、電壓等參數(shù)，并將控制器指令發(fā)送給變頻器[10]。同時，設置智能換擋模式，即由低擋換中擋或高擋模塊、中擋換高擋或低擋模塊、高擋換中擋或低擋模塊，通過檢測裝置所檢測的數(shù)據(jù)與硬度閾值相比較，符合換擋條件時自動完成換擋操作[11]。自動調整系統(tǒng)控制邏輯，如圖5 所示。

圖5 自動調整系統(tǒng)控制邏輯圖

4 結語

轉速作為電機重要的參數(shù)，是電機轉子的旋轉速度。在工業(yè)生產(chǎn)中要加強對電機轉速的監(jiān)測控制并且深入研究電機保護的方式，以此降低生產(chǎn)成本同時防止發(fā)生事故造成人身安全。

設計的掘進機鉆頭控制系統(tǒng)使用效果良好，結構合理，性能可靠，降低了截割電機的故障率，減少了設備維修成本和人工成本，提高了整機的性能與技術水平。掘進機截割電機的轉速控制，能夠使掘進機在作業(yè)過程中自動適應巖層硬度的變化，并且能保持機車工作的穩(wěn)定。

掘進機鉆頭控制系統(tǒng)可采集檢測裝置數(shù)據(jù)，并通過CAN 總線通信自動換擋，應用效果良好，降低了截割電機的故障率，提高了整機的性能與技術水平。在巷道作業(yè)過程中，煤層巷道采用高擋位，半煤巖巷道切換至中擋位，全巖巷道采用高擋位，實現(xiàn)了根據(jù)巷道巖石硬度控制掘進機運行的功能，不僅提高了掘進機的破巖效率，而且保證了掘進工作的完成進度。