摘 要：掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)要求實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾的聯(lián)動(dòng)，鑒于此，研究了一種掘進(jìn)設(shè)備與自移機(jī)尾協(xié)同控制的方法。從硬件組成、原理介紹、協(xié)同方式、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法多個(gè)方面，通過(guò)掘進(jìn)設(shè)備與自移機(jī)尾的控制方法介紹，多角度闡述了成套設(shè)備協(xié)同控制的實(shí)用性及可靠性，結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)配套設(shè)備的成功應(yīng)用，為煤礦掘進(jìn)智能化多設(shè)備綜合協(xié)同控制提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)裝備；自移機(jī)尾；協(xié)同控制；聯(lián)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）14-0057-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.014

0" " 引言

煤礦智能化是適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)革命趨勢(shì)、保障國(guó)家能源安全、實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1]。采掘裝備在煤炭工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用，目前已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化，正在邁入智能化開(kāi)采新階段[2]。智能化綜采發(fā)展迅速，與其相比，煤礦掘進(jìn)智能化受井下復(fù)雜地質(zhì)條件、環(huán)境因素、施工工藝等制約發(fā)展相對(duì)緩慢，目前主要是對(duì)以遠(yuǎn)程可視化控制+自動(dòng)割煤+一鍵啟停為特征的初級(jí)智能掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行示范性應(yīng)用[3]。

隨著我國(guó)煤礦企業(yè)的不斷整合，煤礦數(shù)量越來(lái)越少，但煤炭依然是目前工業(yè)發(fā)展需要的主要一次能源，對(duì)煤炭產(chǎn)量的需求還在不斷提升，因此煤礦開(kāi)采需求加大[4]，加之煤礦采掘裝備快速發(fā)展，智能化開(kāi)采初見(jiàn)成效，開(kāi)采效率大幅提高，每年消耗的掘進(jìn)巷道越來(lái)越多，“采快掘慢，采掘失衡”問(wèn)題愈發(fā)突出。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)于煤礦的智能化發(fā)展越來(lái)越重視，發(fā)展落后的掘進(jìn)智能化要提升推進(jìn)速度，為煤礦智能化發(fā)展添磚加瓦，需要科研院所、企業(yè)單位共同攻堅(jiān)克難，解決“卡脖子”問(wèn)題，突破技術(shù)壁壘，填補(bǔ)行業(yè)空白。

本文通過(guò)對(duì)掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾之間的協(xié)同控制進(jìn)行深入研究，從驅(qū)動(dòng)方式、傳感監(jiān)測(cè)、速度匹配等方面進(jìn)行分析，解決自移機(jī)尾自動(dòng)跟隨掘進(jìn)裝備問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)同進(jìn)同退、協(xié)同動(dòng)作，減少工作面崗位數(shù)量，提升掘進(jìn)智能化程度。

1" " 掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾作業(yè)流程介紹

目前，煤礦巷道掘進(jìn)使用設(shè)備配套方式多樣，但大多仍采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)（掘錨護(hù)一體機(jī)）+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+順槽運(yùn)輸皮帶成套設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。本文以此配套方式為例，簡(jiǎn)要介紹掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾的作業(yè)方式及工藝流程。詳細(xì)設(shè)備組成配套方式如圖1所示。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割、臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)將物料轉(zhuǎn)運(yùn)至帶式輸送機(jī)然后輸送到主運(yùn)皮帶，帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾通過(guò)自身動(dòng)力拖動(dòng)皮帶進(jìn)行前移，與橋式轉(zhuǎn)載機(jī)配合完成連續(xù)運(yùn)輸工序，保障生產(chǎn)班連續(xù)掘進(jìn)任務(wù)。井下遠(yuǎn)程控制室和地面集控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)及運(yùn)輸設(shè)備的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、視頻監(jiān)控、自主定位導(dǎo)航、一鍵啟停等功能。

2" " 自移機(jī)尾及配套設(shè)備應(yīng)用

目前，煤礦巷道掘進(jìn)所應(yīng)用的自移機(jī)尾以邁步式自移機(jī)尾為主，另外還有液壓驅(qū)動(dòng)履帶式自移機(jī)尾及電驅(qū)動(dòng)履帶自移機(jī)尾。傳統(tǒng)巷道掘進(jìn)主要應(yīng)用邁步式自移機(jī)尾，搭配橋式轉(zhuǎn)載機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)物料轉(zhuǎn)運(yùn)及順槽帶式輸送機(jī)拖動(dòng)，此方式多用于地質(zhì)條件復(fù)雜、日進(jìn)尺較低的掘進(jìn)巷道，橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和自移機(jī)尾的有效搭接長(zhǎng)度大于日進(jìn)尺，圓班生產(chǎn)不需要考慮延伸皮帶，能減少停機(jī)時(shí)間。巷道條件較好，掘進(jìn)配套設(shè)備先進(jìn)，智能化程度高，對(duì)于進(jìn)尺要求高的掘進(jìn)巷道，可以應(yīng)用履帶式自移機(jī)尾，直接拖動(dòng)順槽帶式輸送機(jī)，無(wú)須配套橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，即可將掘進(jìn)裝備輸送的物料直接運(yùn)至膠帶運(yùn)輸機(jī)上。此種方式多用于陜北、內(nèi)蒙等礦，適用于配套快速掘進(jìn)裝備，連續(xù)掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸作業(yè)，不需要單獨(dú)停機(jī)進(jìn)行皮帶延伸，可以在運(yùn)輸過(guò)程中完成皮帶延伸。履帶式自移機(jī)尾根據(jù)動(dòng)力源可以分為電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，調(diào)速方式有所區(qū)別，其他基本相同。邁步式自移機(jī)尾、履帶式自移機(jī)尾分別如圖2、圖3所示。

3" " 協(xié)同控制所需裝置

掘進(jìn)機(jī)與自移機(jī)尾的協(xié)同控制邏輯比較復(fù)雜，涉及傳感器較多，為確保數(shù)據(jù)運(yùn)算快速、可靠，需要單獨(dú)采用控制器來(lái)完成邏輯處理?？刂葡到y(tǒng)采用單獨(dú)集成方式，防爆電控箱內(nèi)部包括控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、急停單元、按鈕組件、電源模塊、指示燈、通信模塊等；在掘進(jìn)設(shè)備與自移機(jī)尾上安裝壓力傳感器、流量傳感器、激光雷達(dá)、比例電磁閥等，實(shí)時(shí)檢測(cè)掘進(jìn)設(shè)備和自移機(jī)尾行走狀態(tài)。具體連接拓?fù)淙鐖D4所示。

4" " 控制邏輯

如前面所述，自移機(jī)尾常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)形式有液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)形式不同，檢測(cè)控制方式會(huì)有所區(qū)別，但控制邏輯基本一致。主要控制邏輯可以理解為：

V_j×T_m-V_z×T_n=M（M_o≤M≤M_z）

式中：V_j為掘進(jìn)裝備行走速度；V_z為自移機(jī)尾行走速度；T_m為掘進(jìn)裝備行走時(shí)間；T_n為自移機(jī)尾行走時(shí)間；M為兩者之間的安全距離，在確定范圍內(nèi)，即M_o和M_z在設(shè)備已知情況下為給定值[5-6]。

下面主要對(duì)兩種常見(jiàn)驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1" " 液壓驅(qū)動(dòng)

掘進(jìn)機(jī)通過(guò)油泵電機(jī)、液壓泵站、比例閥、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)履帶裝置進(jìn)行動(dòng)作。如圖5所示，掘進(jìn)機(jī)左右行走部各有一臺(tái)液壓馬達(dá)，每臺(tái)馬達(dá)都有兩根液壓管路連接，分別為液壓油流入和流出馬達(dá)的管路。馬達(dá)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)取決于液壓油的流向，當(dāng)液壓油從1、2號(hào)管路流入時(shí)，液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)；當(dāng)液壓油從3、4號(hào)管路流入時(shí)，馬達(dá)反轉(zhuǎn)。掘進(jìn)機(jī)通過(guò)控制馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退動(dòng)作，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，則是利用左右兩個(gè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)。在1、2、3、4號(hào)管路上分別安裝壓力傳感器，1、2號(hào)管路上安裝流量傳感器，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)行走時(shí)，壓力傳感器可以檢測(cè)相應(yīng)管路壓力，流量傳感器可以檢測(cè)馬達(dá)進(jìn)出的液壓油流量。壓力和流量傳感器原始信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換處理發(fā)送給控制器，控制器進(jìn)行信號(hào)分析運(yùn)算，融合掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)、后退正?；芈穳毫土髁繉?shí)際值，進(jìn)行比對(duì)處理，可以判斷出掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作狀態(tài)，前進(jìn)或者后退，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)可以計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行速度。調(diào)節(jié)行走比例閥開(kāi)度，可以控制相應(yīng)回路液壓油流量及對(duì)應(yīng)的壓力，繼而改變掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)速度，因此可以通過(guò)回路壓力和流量數(shù)值等效計(jì)算出速度值，便于速度精確調(diào)節(jié)[7]。

液壓驅(qū)動(dòng)履帶式自移機(jī)尾行走機(jī)構(gòu)與掘進(jìn)機(jī)相似，行走控制和調(diào)速邏輯與上述方法相同。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)的行進(jìn)方向和行走速度，控制器對(duì)信號(hào)分析處理后驅(qū)動(dòng)自移機(jī)尾電磁比例閥動(dòng)作，從而控制自移機(jī)尾動(dòng)作。在自移機(jī)尾前端安裝激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距，實(shí)時(shí)測(cè)量自移機(jī)尾距離掘進(jìn)機(jī)后端的相對(duì)距離，避免速度不匹配導(dǎo)致相對(duì)距離過(guò)大或過(guò)小。通過(guò)雷達(dá)測(cè)距數(shù)值可以動(dòng)態(tài)調(diào)整行走液壓閥開(kāi)度，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)備行走速度，確保設(shè)備相對(duì)距離M基本恒定。

4.2" " 電驅(qū)動(dòng)

當(dāng)設(shè)備采用變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)，變頻器運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至控制器，通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行通信，響應(yīng)速度更快。變頻參數(shù)可以直觀反映出掘進(jìn)裝備的行進(jìn)方向和行走速度，將信號(hào)傳輸給自移機(jī)尾控制端，控制自移機(jī)尾行走方向和速度。同樣，需要在自移機(jī)尾前端安裝激光雷達(dá)，測(cè)量?jī)膳_(tái)設(shè)備的相對(duì)距離，以便動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度。

以上兩種驅(qū)動(dòng)方式的調(diào)速控制都需要進(jìn)行詳細(xì)的邏輯運(yùn)算處理，對(duì)檢測(cè)精度、運(yùn)算時(shí)延、控制精度要求都較高，需要嚴(yán)格控制每個(gè)環(huán)節(jié)。

5" " 實(shí)現(xiàn)方法

5.1" " 初始狀態(tài)檢測(cè)

設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制之前，需要先進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，確保設(shè)備能夠正常工作，避免出現(xiàn)意外。如圖6所示，指示燈紅色表示拍下急停按鈕或者安全距離不夠，此時(shí)無(wú)法進(jìn)行兩設(shè)備協(xié)同控制；當(dāng)指示燈顯示綠色則表示解除急停，并且測(cè)距傳感器檢測(cè)設(shè)備相對(duì)距離符合要求，具備協(xié)同控制條件，可以開(kāi)始設(shè)備協(xié)同。

5.2" " 設(shè)備協(xié)同設(shè)置

在設(shè)備已知的情況下，確定其驅(qū)動(dòng)方式，需要選擇設(shè)置程序內(nèi)部處理方法。具體設(shè)置操作如圖7所示，撥動(dòng)按鈕2或3表示設(shè)備已進(jìn)入聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，指示燈2和3分別表示聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，綠色表示聯(lián)動(dòng)中，紅色表示不聯(lián)動(dòng)。

5.3" " 動(dòng)作判斷

協(xié)同控制的核心是精確檢測(cè)各設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)，包括方向和速度，檢測(cè)出掘進(jìn)裝備的速度，經(jīng)過(guò)邏輯指令快速響應(yīng)，自移機(jī)尾進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。如圖8所示，A、B、C、D為1、2、3、4號(hào)管路上的壓力傳感器檢測(cè)值，通過(guò)液壓馬達(dá)進(jìn)出口油路壓力值大小，判斷設(shè)備前進(jìn)還是后退；基于1、3號(hào)管路上的流量傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)主控器計(jì)算后得出設(shè)備行進(jìn)速度，從而驅(qū)動(dòng)自移機(jī)尾行走機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

5.4" " 整體流程設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)初始狀態(tài)檢測(cè)、協(xié)同參數(shù)設(shè)置、動(dòng)作判斷、速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、外圍因素干預(yù)等多項(xiàng)子程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾的協(xié)同控制。具體設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

6" " 結(jié)束語(yǔ)

掘進(jìn)裝備與自移機(jī)尾的協(xié)同控制可以有效提高掘進(jìn)系統(tǒng)自動(dòng)控制水平，減少設(shè)備遠(yuǎn)控過(guò)程中的人為干預(yù)，降低掘進(jìn)工作面操作人員數(shù)量，對(duì)于掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)有實(shí)質(zhì)性作用，并且對(duì)在用的掘進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造有指導(dǎo)意義。設(shè)備協(xié)同控制的穩(wěn)定性是掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)的關(guān)鍵，要確保掘、支、錨、運(yùn)、移工序協(xié)同聯(lián)動(dòng)，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須穩(wěn)定可靠，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的掘進(jìn)智能化。

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收稿日期：2023-03-20

作者簡(jiǎn)介：田江偉（1990—），男，陜西興平人，工程師，主要從事采掘設(shè)備電氣及智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。