井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

黃 強

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司機電部， 山西 霍州 031400）

引言

井下掘進機具有破煤、裝運、噴霧除塵等功能，相較于傳統(tǒng)的炮采，具有掘進速度快、掘進效率高、勞動強度低等優(yōu)點，現(xiàn)已成為井下煤炭開采的主要設(shè)備[1]。懸臂式掘進機作為井下掘進機的一種，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛[2-3]。早在20 世紀(jì)30 年代西方發(fā)達國家就致力于掘進機的設(shè)計，實現(xiàn)了掘進工作的電動控制，后來PLC 的出現(xiàn)極大推動了掘進工作自動化的進程[4]。近年來國內(nèi)已經(jīng)逐步開展掘進機自動控制系統(tǒng)的研究，取得了一定的成績，但依然需要更深入的研究，才能保證我國掘進機早日實現(xiàn)自動化、智能化[5-6]。因此以某型號懸臂式掘進機為研究對象，開展掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究具有重要的意義。

1 掘進機結(jié)構(gòu)組成及其控制策略

懸臂式掘進機主要由截割機、裝運機構(gòu)、行走機構(gòu)、主機架和后支撐等組成。截割機通過左右、上下移動及旋轉(zhuǎn)的截割頭實現(xiàn)煤炭巷道掘進過程中的破煤；裝運機構(gòu)將破落之后的煤炭撥到鏟板中間的刮板輸送機將其運出；行走機構(gòu)通過兩個液壓馬達驅(qū)動雙側(cè)履帶實現(xiàn)行走運動；主機架由前架和后架組成，用于支撐截割機、裝運機等各部件，使其能夠正常運行；后支撐主要通過銷軸鉸接在后架，作用是增加掘進機的工作穩(wěn)定性。

圖1 截割路徑

懸臂式掘進機進行煤炭巷道掘進多沿矩形軌跡完成，包括掃底、斷面截割、刷幫等工序，具體工藝如圖1 所示。其中掃底主要是由截割機的左右運動控制實現(xiàn)，具體控制路徑為O→O2→A1→A0；斷面截割需要首先設(shè)置截割頭垂直進刀距離，之后按照具體控制路徑A0→A→B→C→D→E→F→G→H 完成斷面掘進；斷面截割之后需要進行刷幫工序，其控制路線為H→G→B→A→D→O，至此完成整個斷面的截割工作。由此可見要想實現(xiàn)掘進機截割的自動控制，必須能夠?qū)崿F(xiàn)截割頭左右、上下按照一定的軌跡實現(xiàn)自動截割工作，由截割頭的空間位置計算得到截割頭的空間坐標(biāo)，利用PLC 控制截割頭按照指定軌跡完成巷道截割，得到需要的巷道截面，避免出現(xiàn)超挖或者欠挖的問題。

2 自動成形控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)的控制核心部件采用PLC，在其基礎(chǔ)上進行模塊的擴展配置，包括開關(guān)量輸入和模擬量輸入等，前者包括按鈕信號、測速傳感信號、相關(guān)故障報警信號等；后者包括工作電壓檢測信號、電機工作電流信號、角度傳感器信號等。系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)主要由電磁閥比例放大器、負(fù)載敏感式比例多路換向閥等控制器直接控制。

2.1 PLC 控制器

PLC 作為控制系統(tǒng)的核心部件，主要由CPU、存儲器、I/O 接口和系統(tǒng)總線等關(guān)鍵部件組成。根據(jù)井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)設(shè)計要求，選擇三菱品牌下，型號為FX2N-80MR-ES/L 的可編程邏輯控制器，其具有運算速度快、存儲能力強、擴展性廣等優(yōu)點。PLC 正常運行離不開I/O 接口電路，此處輸入使用的是（X30-X37） 引腳，輸出使用的是（Y30-Y37）引腳，還對RS422 接口引腳和擴展輸出接口引腳進行了配置。PLC 邏輯控制程序的編制運用梯形圖語言，程序的交互借助自帶的8 針RS422編程接口。程序的編制在軟件Gxdeveloper 上完成，便于程序編制過程中的修改、測試、下載等，也能夠很方便地完成整套程序的仿真控制。

2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊

2.2.1 A/D 模塊

井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)采用的模擬量輸入模塊型號為FX2N-4AD，其配置3 個4A/D 模塊，能夠很好地完成與PLC 模塊的連接，通過4 個模擬量輸入通道能夠?qū)⑾到y(tǒng)接收得到的模擬量信號順利轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需要的數(shù)字量信號。該模擬量輸入模塊的分辨率最大可達12 位，電壓和電流輸入信號的選擇可以改變4AD 的具體接線形式，其中電壓信號的范圍為-10 V～10 V，分辨率為5 mV，電流信號的范圍為 4 mA～20 mA、-20 mA～20 mA，分辨率為20 mA。

2.2.2 D/A 模塊

井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)的D/A 模塊選用型號為FX2N-2DA 的模擬輸出模塊，其配置1個2D/A 與4A/D 模塊相連。該模塊可以混合使用電壓和電流信號，其中可以輸出0～5 V 或0～10 V 的電壓信號，分辨率為2.5 mV；也可以輸出4～20 mA 電流信號，分辨率為4 mA。D/A 模塊需要占用PLC 中的8 個I/O 接口引腳，通過FROM/TO 指令實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 比例放大器

井下掘進機自動成形截割控制系統(tǒng)中的電液比例閥控制主要通過比例放大器完成，具體接線如圖2 所示。比例放大器能夠完成兩個獨立運行的3 位3通或者3 位4 通比例閥。比例放大器可以采用12 V DC 或者24 V DC 電源供電，此處采用的是DC 24 V供電，系統(tǒng)控制信號能夠使用±5 V DC 或和±10 V DC 兩種電壓信號，均來源于2D/A 模塊。比例放大器配置精密電位器，能夠采用調(diào)節(jié)電位器的方法完成比例放大器參數(shù)的調(diào)整，例如開啟電流、最大輸出電流等，此處設(shè)置比例放大器的開啟電流為300 mA，最大的電流設(shè)置為600 mA。比例放大器同時可以設(shè)置電流的變化速率，用于實現(xiàn)油缸運動過程中的啟動和制動時間，此處設(shè)置為2 s 即可。比例放大器自帶完善的自我保護功能，包括接地短路和輸出短路等保護功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時，自帶故障指示燈自動亮起。

2.4 電氣操作箱

圖2 比例放大器接線圖

為了便于掘進機的操作，為其配置電氣操作箱及操作按鈕，操作箱為隔爆兼本質(zhì)安全型電氣設(shè)備，其防爆殼體采用高強度鋼板，通過焊接工藝制作而成。顯示器設(shè)計在隔爆腔內(nèi)，采用7 芯排線與操作箱控制系統(tǒng)相連，供電電壓選用DC 24 V，借助顯示器能夠監(jiān)視掘進機的運行狀態(tài)、電機參數(shù)等。相關(guān)的操作按鈕設(shè)計在本安腔，采用19 芯屏蔽排線與控制箱連接，供電電壓為DC 12 V。電控操作箱電源來源于控制系統(tǒng)電路中的變壓器，部分控制系統(tǒng)電路如圖3 所示。操作箱上設(shè)置有復(fù)位功能鍵，復(fù)位鍵按下，“上移/增加”、“下移/減小”、“取消/復(fù)位”能夠正常完成截割頭的增加、減小、復(fù)位動作。

圖3 控制系統(tǒng)部分接線圖

3 斷面自動成形軟件設(shè)計

3.1 顯示屏程序編制

控制系統(tǒng)選用的顯示屏型號為UG221H-SR4，產(chǎn)自于日本富士，屏幕尺寸為5.7 英尺，彩色顯示，能夠與富士、三菱等知名PLC 進行通訊，通用性好。本控制系統(tǒng)設(shè)計了四屏顯示界面，通過手動翻屏即可完成各個顯示界面的切換。顯示器中的信號指示燈顯示藍(lán)色表示工作正常，顯示粉色表示工作異常。

顯示屏主界面如圖4 所示，其中掘進機自動截割過程中指示燈能夠顯示掘進機截割頭上、下、左、右的移動極限位置。能夠?qū)崟r顯示截割頭的高度H和寬度W 的數(shù)值，同時顯示器也能夠?qū)崟r顯示截割電流的大小以及截割電機的高、低速狀態(tài)。控制參數(shù)設(shè)定屏幕如圖5 所示，能夠完成截割頭的高度、寬度、截割步距等參數(shù)的設(shè)置。考慮到掘進機工作過程中的安全性，將截割斷面的截割范圍設(shè)置為高度H為 1 600～4 100 mm，寬度 B 為 2 200～4 700 mm，截割距 d 為 200～1 000 mm。

圖4 顯示屏主界面

圖5 控制參數(shù)設(shè)置界面

3.2 PLC 程序編制

PLC 作為掘進機實現(xiàn)自動截割的核心部件，其實現(xiàn)控制的關(guān)鍵是程序的編制，程序編制的主要依據(jù)是掘進機的工藝流程，具體PLC 控制流程如圖6所示。基于此開展PLC 程序的編制，編程過程中使用的軟件為三菱公司生產(chǎn)、型號為SW7D5C-GPPW-C 的軟件，充分考慮掘進機工作過程中的諸多因素，完成PLC 程序的編制，以此實現(xiàn)掘進機的截割控制。

4 應(yīng)用效果評價

圖6 PLC 邏輯控制流程圖

為了驗證井下掘進機截割自動控制系統(tǒng)的設(shè)計效果，將其應(yīng)用于某煤礦井下進行生產(chǎn)作業(yè)，并對其進行連續(xù)半年時間工作內(nèi)的跟蹤記錄。相較于截割頭自動控制系統(tǒng)應(yīng)用之前，操作人員數(shù)量減少了2名，提高了掘進機工作的自動化水平，據(jù)相關(guān)人員統(tǒng)計分析，該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠為企業(yè)節(jié)省近40 萬元/年的掘進機作業(yè)和維護支出。該系統(tǒng)程序邏輯控制清晰、運行穩(wěn)定，能夠可靠完成指定工藝流程下的巷道斷面掘進要求，滿足井下煤炭開采作業(yè)的需求，使企業(yè)的煤炭開采效率提高近15%，取得了較高的應(yīng)用效果。