用于工作面液壓支架對齊的激光對位傳感器設計

趙世民， 劉清

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京 100013)

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用于工作面液壓支架對齊的激光對位傳感器設計

趙世民， 劉清

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京 100013)

為了滿足煤礦井下工作面跟機自動化連續采煤需求，設計了一種用于工作面液壓支架對齊的激光對位傳感器，詳細介紹了基于激光對位傳感器的移架對齊原理及傳感器的軟硬件設計。該傳感器采用小型化設計，具有安裝方便、價格低廉等優點。井下工業性實驗結果表明，將該傳感器應用在跟機自動化采煤中，可使工作面走向的相鄰液壓支架間的平均對齊精度達到30 mm。

煤炭開采; 綜采工作面； 跟機自動化； 液壓支架； 激光對位

0 引言

隨著煤礦綜合機械化采煤技術的進步，液壓支架電液控制系統跟機自動化采煤技術被越來越多地應用在綜采工作面上[1]。工作面跟機自動化中要求“三直二平”，即煤壁、刮板輸送機和支架成直線狀，刮板輸送機和支架平穩牢靠。目前國內煤礦生產中一般采用工作面拉鋼絲繩或打出一個激光光束的方式提供液壓支架推移對齊的標準[2]，人工手動調整工作支架和刮板輸送機對齊，該方法費時、費力，無法適應綜采工作面跟機自動化采煤的需求。

目前國內還沒有一種自動、實用、可靠的工作面支架自動對齊方法，相關技術基本處于理論研究狀態。一種方法是采用基于陀螺儀的慣性導航技術，利用陀螺儀記錄采煤機采煤過程中的運動軌跡，通過運動軌跡判定支架和刮板輸送機是否對齊。該方法要求陀螺儀具有抗振性、精度高等特點，因為陀螺儀價格昂貴，所以目前沒有在國內推廣使用起來[3]。另一種方法是采用磁力的方式設計調直行程傳感器，根據行程傳感器的輸出值判斷相鄰支架的相對位置，傳感器本體和永磁體分別安裝在液壓支架兩側頂梁側護板內[4]。該方法具有實現簡單、成本低的特點，但有以下缺點：要求傳感器安裝在相鄰支架頂梁側護板之間，此處空間小、不易安裝，并且存在漏矸，傳感器易被砸壞；永磁體長時間安裝在頂梁側護板內會產生磁化，對行程傳感器的輸出精度有很大影響。目前該方法尚沒有確定的效果。為此，本文設計了一種激光對位傳感器，使工作面相鄰液壓支架的平均對齊精度達到了30 mm。

1 移架對齊原理

激光對位傳感器是一種基于激光技術來測量安裝在相鄰液壓支架上的2個傳感器間的相對位置的傳感器[5]。激光對位傳感器安裝在工作面的每個液壓支架上面，傳感器與液壓支架控制器相連接。在跟機自動化采煤過程中，基準支架的電液控制器控制傳感器打開激光，并照向相鄰要向前移動的支架上面的傳感器；移動支架的電液控制器在移動過程中實時讀取傳感器檢測到的位置，如果未到達對齊位置，就控制支架繼續向前移動，直到2個支架對齊時停止移架。移架對齊原理如圖1所示。

圖1 基于激光對位傳感器的移架對齊原理

2 激光對位傳感器設計

激光對位傳感器由2個激光發射器和2個激光接收器組成，分別安裝在傳感器的2個面，具有雙向激光發射與接收的功能。激光發射器用于發射激光到相鄰支架傳感器的激光接收器上面，發射的激光形成一個線形的光面，這樣就允許相鄰支架傳感器安裝時在垂直方向不完全對齊，降低了安裝難度。根據支架的移動速度，移架過程分成加速、勻速、減速3個階段。利用傳感器控制移動支架與基準支架對齊要在減速過程中使用，減速長度占整個移架距離(960 mm)的1/4，大約為200 mm。由于支架內安裝空間有限，傳感器應設計得小一些，本文設計傳感器長度為210 mm。

2.1 硬件設計

激光對位傳感器主要由電源電路、通信電路、CPU電路、激光發射電路、激光接收電路5部分組成，硬件結構如圖2所示。

電源電路采用LM25574降壓型開關電源芯片實現，其具有6～42 V的超寬電壓輸入范圍，用于將外部輸入的12 V直流電壓轉換成 3.3 V電壓，供傳感器內部電路使用。通信電路采用MAX3232芯片作為RS232接口電平轉換芯片，實現傳感器與控制器間、傳感器內部2個電路板間的串行通信。CPU電路采用基于Cortex-M3內核的LPC1752芯片為控制核心，通過RS232接口與支架電液控制器相連；CPU接收控制器發送的測量指令，上傳測量數據到控制器，并通過I/O口來控制激光發射器打開或關閉；CPU片上ADC通過模擬開關采集激光接收陣列光敏電阻的阻值，通過一定的軟件算法判斷是否接收到激光照射。激光發射電路由繼電器和激光發射器組成，LPC1752的I/O口控制繼電器打開或關閉激光發射器的電源。激光接收電路由2行光敏電阻交錯排列而成，通過模擬開關連接到LPC1752的ADC上面，通過采集光敏電阻的阻值來判斷有無激光照射。

圖2 激光對位傳感器硬件結構

采用42個直徑為10 mm的光敏電阻組成激光接收器的接收陣列，通過結構優化，將光敏電阻分成2行，交錯排列，如圖3所示。這樣相鄰2個光敏電阻間的距離只有5 mm，同時激光接收器的對齊精度也達到5 mm[6-7]。

圖3 激光接收陣列光敏電阻分布

2.2 軟件設計

激光對位傳感器的軟件基于嵌入式操作系統編寫，包括下載管理程序和應用程序。下載管理程序實現了在煤礦井下對傳感器程序進行更新與升級的功能。應用程序由串口數據處理任務、光敏電阻采集任務、系統燈任務組成。

串口數據處理任務接收控制器的命令數據，并實現傳感器位置讀取、激光發射器打開控制、參數設置等功能；命令執行完成后，給控制器發送應答，通知命令執行成功。串口數據處理程序流程如圖4所示。

圖4 串口數據處理程序流程

光敏電阻采集任務通過LPC1752片上的ADC模塊采集激光接收陣列上的所有光敏電阻的電壓，通過一系列的計算求出每個光敏電阻的阻值。光敏電阻的特性是阻值與光照強度成反比，即光照越強，光敏電阻的阻值越小。程序得到每個光敏電阻的阻值后，通過最小數據查找算法計算出最小阻值的光敏電阻，并且記錄光敏電阻的位置；將最小阻值與預先設置的光照閾值參數進行比較，如果小于光照閾值參數，則認為該光敏電阻接收到光照。光敏電阻采集程序流程如圖5所示。

圖5 光敏電阻采集程序流程

系統燈任務即控制傳感器藍色指示燈以1 s的周期進行閃爍，指示燈閃爍表明傳感器工作正常，這對于現場觀察傳感器工作狀態十分有用。

3 井下實驗

激光對位傳感器在內蒙古巴彥高勒煤礦生產班進行了井下工業性實驗。傳感器安裝在工作面40—45號支架上，測試前調整5個被測支架使其處于同一姿態。其中第40架和第45架以工作面事先拉好的找直鋼絲繩為基準，通過人工移架調整到位。泵站系統乳化液壓力為30.5 MPa，測試并記錄了3次采煤機上行自動移架情況下41—44號支架的對齊數據，見表1。

表1 自動移架對齊數據

從實驗數據可以看出，對于安裝了激光對位傳感器的支架，相鄰支架的平均對齊精度在30 mm內。激光對位傳感器設計的對齊精度為5 mm，理論上可以實現5 mm的對齊精度，但由于液壓系統的原因，乳化液壓力越大，自動移架過程中支架移動的速度越快，越難控制對齊精度。在乳化液壓力為30.5 MPa的情況下，控制器打開電磁先導閥后，支架向前移動的最小距離為20 mm；當關閉電磁先導閥后，由于慣性，支架還要向前移動幾毫米，同時移架過程中乳化液的壓力不是恒定的，因此，本次實驗達到了30 mm的對齊精度。

4 結語

激光對位傳感器采用小型化設計，可以方便地安裝在支架立柱上，與采用磁力方式的調直行程傳感器相比，具有不容易被漏矸砸壞、不會磁化的優點；與采用基于陀螺儀的慣性導航技術相比，具有價格低廉和抗振的優點。井下工業性實驗結果表明，將該傳感器應用在跟機自動化采煤中，可使工作面走向的相鄰液壓支架間的平均對齊精度達到30 mm。但從整個工作面的液壓支架對齊來看，對齊精度還達不到要求。為提高整個工作面液壓支架的對齊精度，后續的研究中將加入基于乳化液壓力的控制算法和整個工作面電液控制系統層面的直線度控制算法。

[1] 田成金,魏文艷,朱小林.基于SAC型液壓支架電液控

制系統的跟機自動化技術研究[J].煤礦開采,2012,17(2):46-50.

[2] 宋宏雷,張衛東,位建峰.薄煤層液壓支架定線移架裝置研究與應用[J].煤礦現代化,2013(增刊1):112-113.

[3] 張斌,方新秋,鄒永洺,等.基于陀螺儀和里程計的無人工作面采煤機自主定位系統[J].礦山機械,2010,38(9):10-13.

[4] 廣州日濱科技發展有限公司,山西平陽廣日機電有限公司.綜采工作面液壓支架和刮板輸送機自動調直方法及系統:中國,2013100580498[P].2013-05-22.

[5] 林向東.激光二維傳感器測量直線度方法的研究[D].北京:北京交通大學,2011.

[6] 牛劍峰.綜采工作面直線度控制系統研究[J].工礦自動化,2015,41(5):5-8.

[7] 李俊士.一種基于多種傳感器的工作面找直方法[J].煤礦機電,2014(6):11-12.

Design of laser alignment sensor for alignment of hydraulic supports on working face

ZHAO Shimin， LIU Qing

(Beijing Tiandi-Marco Electronic-Hydraulic Control System Company Ltd., Beijing 100013, China)

In order to satisfy continuous coal mining requirements of coal-cutter following automation on coal mining face, a laser alignment sensor for alignment of hydraulic supports on working face was designed. Alignment principle based on laser alignment sensor and hardware and software designs were introduced. The sensor uses miniaturization design, and has advantages of easy installation, low price and so on. The results of underground industrial experiments show that average alignment precision of adjacent hydraulic supports can reach 30 mm while applying the sensor to automatic coal mining.

coal mining; fully mechanized mining face; coal-cutter following automation; hydraulic support; laser alignment

1671-251X(2016)11-0074-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.018

趙世民，劉清.用于工作面液壓支架對齊的激光對位傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(11)：74-77.

2016-05-05；

2016-09-27；責任編輯：胡嫻。

趙世民(1982-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，從事綜采工作面自動化系統的研發工作，E-mail:zhaosm@tdmarco.com。

TD355.4

A

時間：2016-10-28 16:32

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1632.018.html