掘進機截割控制系統的設計

齊 靜

（新景公司生產技術部， 山西 陽泉 045000）

引言

掘進機截割系統作為掘進設備運行高質開展的關鍵組件，其運行質量對整個礦井生產采掘交替的有效銜接意義重大。而常規的掘進機截割組件多為懸臂式截割結構，在作業時這種機構的截割路徑和動作全部需依靠人工進行操作，從而達成掘進作業的有效開展[1]。這種作業方式往往對作業人員的個人技能有著較高要求，一旦作業人員技術不過關或長時間高強度工作，非常容易造成截割面質量不佳的情況，從而對掘進作業的質量進行造成負面影響。鑒于此，為更好地滿足礦井生產的現代化需求，需開發一種新型的掘進機截割智能控制系統，從而實現截割機構作業的自動化。

1 掘進機截割結構作業原理的分析

掘進機截割結構是完成掘進巷道巖壁切割的執行機構，其作業時的路徑直徑決定著截割面的形狀和是否需進行重復截割。整個掘進機的截割機構構成組件包括液壓驅動裝置、截割臂、截割頭和驅動電機。整個機構借助執行油缸布置于掘進機機身上，作業時兩個相互獨立的液壓控制系統[2]操控截割機構開展上下左右擺動作業；此外，還能夠同時使用兩套油缸操控掘進機截割機構開展復合運動，進而確保截割機構可以充分適應不同類型巷道的截割作業，見圖1。

2 掘進機截割自動化控制的分析

圖1 礦井掘進機結構示意圖

掘進機截割機構的自動化控制是以掘進機的人工操作相關參數為參照基礎，結合施工現場的掘進調研和操作人員的激光指向裝置實現對掘進作業未知的確定，進而借由對操作臺手柄的調控實現對電流比例閥的開口度，實現對掘進機構擺角的控制，以確保液壓缸流道達到合適位置，實現對活塞桿的推動，確保截割部能夠在水平或垂直方向進行方向調換或速度調控。同時為充分避免井下復雜作業環境對司機操控精準度的影響，最大程度提升掘進截割效果，將PLC 控制技術應用到掘進機截割控制中[3-4]。PLC 裝置能夠通過對感應裝置收集數據的匯總分析，對掘進機截割部運行狀態進行全面分析，進而發出相應的操控指令，并在激光定位系統的配合下達成對整個掘進機構運行的準確操控，見圖2。

圖2 基于自動化控制技術的掘進機截割作業流程示意圖

同時，為確保巷道掘進截割作業的精準、有效，在掘進機截割機構的運行中采用慢啟動、慢停加速的控制方式和對截割臂擺動速度的分階段控制調節方式，下頁圖3 所示即為掘進機截割系統自動控制啟停和調速作業示意圖。作業時，慢啟動和慢停止的目的主要是力保掘進巷道截面成型精準有效，同時盡可能延長電機使用壽命，避免截割機構端部在快速急停或急啟中因劇烈震動而出現損壞[5]；分階段調節速度的目的主要在于保證液壓系統可以快速、及時進行供液，并在截割中達成無極調速和電機功率的恒定輸出。

圖3 掘進機截割系統自動控制啟停和調速作業示意圖

3 掘進機截割機構自動控制組件選擇的分析

1）傳感裝置。為實現掘進機截割機構豎直方向移動的精準定位，實現其截割軌跡按照預設計有效運行，配套使用重力擺式感應裝置，對截割機構傾角進行精準監測。該監測裝置屬于磁敏電阻型監測裝置，可以實現監測目標傾角的無接觸精密監測，確保巷道掘進作業期間截割機構在垂直方向的擺動角和掘進機機身保持規定角度。而為實現對截割機構水平方向擺動角的監測，采取SMR 型磁敏感感應裝置，該類裝置具備良好的編碼功能，其在使用中需要配合感應齒聯合使用。此外，針對截割頭伸長量的監測則通過行程感應裝置，該裝置布設于系統油缸內。對系統作業電流的監測選用型號CHY-220AS/V 的專用監測裝置，其可以將所收集的電機電流信息通過變送裝置的處理轉化為PLC 裝置可以直接識別的標準數據信息。該電流監測裝置可監測電流區間為0～220 A，輸送線性度為1.3%，轉化而成的電流信號介于0～25 mA。

2）A/D 轉換裝置。為實現對數據信息的有效轉化，PLC 控制器拓展口配設有型號FX2N 的A/D 轉換裝置，該裝置具備四個傳輸通道，可以快速將模擬信號轉化為數字信號。信號分辨率最高可達16 位，其中電壓與電流的輸入/輸出信號均通過接線端和轉換器完成變換，轉化后的電壓范圍介于-10～10 V[6]，轉化后的電流信號范圍為-20～20 mA。PLC 控制器根據所接收信號通過綜合分析后向執行元件發出執行指令，操控系統運行。

4 自動控制功能的實現

基于人工操作相關參數，借助數值模擬等仿真手段，借由在PLC 控制器上配設可編程語言，實現對截割結構不同運行動作的預設，從而實現對掘進結構割壁動作、方向等的自動調整。同時，為確保所形成巷道斷面質量符合生產需求，自動控制系統需操控截割機構機械能掃地工作。整個掘進作業期間，截割機構運行速度可分設為三個級別，自動控制系統根據轉換所得電流、電壓信號，進而確定相應的截割作業速度，見圖4。

圖4 掘進機截割機構自動控制流程示意圖

5 結論

通過將所設計的自動化控制系統應用在井下煤巖巷道生產實踐中，并借由對其的運行成果的監測可知，通過PLC 自動控制系統操控掘進截割作業，巷道橫截面成型后兩幫誤差均值同設計值相差不超過300 mm，小于人工操作誤差值。同時，機身始終處于巷道中線，無偏差，單邊定位和回轉定位精準度均不超過30 mm，并能夠完成斷面掃底工作。整個過程中掘進機未發生任何機械故障，并提升了掘進速度，降低了作業人員勞動強度，提高了巷道掘進成型效率和質量。