自適應截割功能在掘進機控制系統中的應用

成海斌

（西山煤電集團西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

目前，我國生產的懸臂式掘進機智能化程度低，控制系統相對簡單，傳統的掘進機截割頭控制通過節流式分流閥進行逐級調速，這種方式存在大量能源浪費，而且掘進采煤過程非常依賴有經驗的操作員工進行，稍有操作不當可能引起掘進機故障停工。因此對掘進機控制系統進行技術改進具有重要意義，隨著數字信號處理技術、傳感器技術和計算機技術的發展，掘進機自動化程序越來越高，具有自適應截割功能的懸臂式掘進機逐漸應用于煤炭掘進行業。本文對具有自適應截割功能的懸臂式掘進機相關技術進行了分析總結，重點分析了軟硬件設計方法[1]。

1 自適應截割控制概述

掘進機進行井下巷道掘進時，不同的地質構造對其工作的影響不同，截割頭所開拓的對象可能是煤炭，也有可能是參雜著程度不同的硬質巖石，甚至可能完全是巖石層斷面。掘進機破巖效果是由截割轉矩決定的，硬度越高的巖層所需的截割轉矩越大，因此掘進機在破巖過程中會不斷調整截割頭的轉速，以達到當前最佳的破巖效果，但是在巖石和煤層交替的情況下，截割頭的轉速調整并不總是迅速而準確，因此經常長時間處于低速截割狀態，減慢了掘進速度。隨著我國煤炭開采機械技術的進步，小型的掘進機已經不能滿足大型煤礦企業的產能要求，目前我國使用的掘進機功率已經達到200 kW，為了提高在各類地質結構環境中的截割速度，截割頭轉速和截割部擺動速度也需要納入控制參數當中[2-3]。

在我國，變頻器驅動技術較少應用于掘進機的截割電機，英國采用變頻器調速的掘進機可以通過人工操作來調節截割頭的轉速，在一定程度上提高了截割效率，但是自動化程度依然較低。截割頭自適應控制的前提是準確判斷當前截割的是煤層還是巖層。煤巖識別技術是一項復雜的技術，沒有成熟有效的識別方案，因此變頻器的操作無法實現自動化，目前大多依賴人工經驗進行手動調整，這就造成了不同經驗的操作人員截割效率不同，為了確保安全，工作人員通常會以犧牲效率的方式進行調速控制。掘進機的截割頭是由截割電機進行驅動的，液壓缸和回轉臺配合實現截割頭左右方向的運動，液壓缸升降推動截割部實現截割頭的上限方向運動。截割頭截割煤層或巖層時，截割電機的電流、液壓缸的油壓是不同的，通過截割電機的電流和液壓缸的油壓判斷當前的截割狀態，然后針對不同的截割狀態控制不同的截割速度，即可實現自適應截割功能[4-5]。

2 截割頭自適應控制相關硬件設計

截割頭自適應控制最關鍵的硬件設計包括位移傳感器設計和電液比例閥設計。

2.1 位移傳感器設計

截割頭的位置和速度是由三種不同功能的油缸工作狀態決定的，為了得到截割頭位置和速度的信息，在截割頭伸縮油缸、回轉臺回轉油缸和截割部升降油缸內安裝了位移傳感器。相較于回轉臺回轉油缸，水平回轉油缸和升降油缸更加重要，因此水平回轉油缸和升降油缸均采用雙位移傳感器配置。適用于煤礦的直線位移傳感器由波導絲、外管、磁環等部件組成，其結構如下頁圖1 所示。

直線位移傳感器工作原理：磁環式直線位移傳感器的特殊結構會產生沿波導管的一束縱向磁場，電子部件發出的電流信號能夠在磁場的約束下按照指定路徑傳播，通過記錄發出應變脈沖和接收返回信號的時間，計算磁環的位置，從而得到此時磁環的位移。磁環式直線位移傳感器具有數據精確、實時性好、免標定的特點，失電后重新上電可正常使用。這種測量方法具有實時性強、測量準確，同時不用定期標定，也不用擔心斷電后的歸零問題。相較于接觸式拉繩位移傳感器，磁環式位移傳感器測量過程中無機械接觸，機械損耗和電能損耗很低，長期使用累計誤差較小，十分適合井下潮濕、悶熱的工作環境。

圖1 直線位移傳感器

2.2 電液比例閥設計

電液比例閥由電子放大器、比例電磁鐵、滑閥芯、彈簧等構成。電液比例閥的開通過程是：輸入控制電壓信號的范圍是0～10 V，通過電子放大器將電壓信號轉換成對應大小的電流信號，比例電磁鐵通過此電流后，產生一個力作用在滑閥芯上，因此輸入電壓越高，電磁鐵通過的電流就越大，最后滑閥芯上的力也就越大，產生的位移就越大，比例閥的開度越大，輸入電壓和閥的開度成比例，因此稱之為電液比例閥。電液比例閥的關斷過程是：輸入控制電壓信號為0 后，電磁鐵內通過的電流為0，滑閥芯失去電磁鐵提供的作用力從而返回原位，液壓油路被切斷。除了主閥以外，有的電液比例閥還有先導閥，先導閥是一種控制主閥壓力和流量的輔助閥，通過電壓變化控制掘進機所有動作和速度調節[6-9]。

管路的聯通和斷開是通過電磁閥進行的，在電磁閥的基礎上，電液比例閥的各方面性能更佳，目前已經開始全面替代傳統的電磁閥。通過電液比例閥和液壓缸的組合可以對機械設備進行無級調速。電液比例閥的工作原理是：改變控制端的電壓大小，從而改變閥的開度大小，液壓缸內的液體流量輸出也隨之改變，開度大小可通過多種物理量進行表示，力的大小、壓力大小和電壓大小均可表示。電液比例閥是一種結合電控系統和液壓系統優點的機電裝置，控制上具有電控系統靈活、準確、快速的優點，機械上具有能量大的優點。由于具有遠程控制功能，且具有良好的響應速度和控制精度，電液比例閥在煤礦機械設備中得到了廣泛應用，提高了煤礦液壓系統的自動化程度。基于以上優點，在本設計中的掘進機油路系統中，例如截割部升降油缸、回轉油缸、截割頭伸縮油缸中均采用這種控制方式進行調速，實際應用表明能夠達到預期的效果。

3 掘進機控制系統軟件設計

3.1 下位機軟件

下位機軟件整體結構見圖2，主要實現以下功能：

1）數據管理功能：對接觸器、傳感器等產生的信號和數據進行集中管理。

2）與上位機通訊功能：完成與操作箱、智能模塊和上位機軟件等的通信。

3）人機交互功能：操作人員可以通過下位機軟件對掘進機進行控制，掘進機的運行狀態和參數可以通過下位機軟件向工作人員顯示。

4）輸出控制功能：主要通過相關控制算法完成對變頻器的控制。

5）電機保護功能：實現電機的啟動保護與運行中的各類保護。

圖2 下位機軟件整體結構

3.2 上位機軟件

上位機軟件包括監控主畫面、報警界面和截割部狀態監測畫面。

1）掘進機監控主畫面：顯示掘進機的實時工作狀態，主要是電機的狀態和液壓系統液壓油的狀態，包括截割電機、風機電機、二運電機和油泵電機的電流、繞組溫度，還包括液壓系統的油溫、油位等信息，使工作人員方便觀察掘進機的運行狀況。

2）掘進機歷史故障查詢界面：可以查詢的報警信息，主要包括日期和時間、故障類型、數值、備注等信息，報文通過標準的格式存入數據庫，通過SQL語句實現對報文的查詢和修改。掘進機維修人員能夠通過對報文的查詢分析掘進機工作狀態，提高維護的工作效率。

3）截割部狀態監測畫面：截割部是掘進機最關鍵的部件，其中截割電機產生的各類故障占掘進機故障的大多數，因此需要設計專用的截割部狀態監測畫面，通過監測數據和電機電流溫度等參數的統計，從而動態制定檢修計劃，降低截割部故障的概率。

4 結語

不同硬度的巖石和煤層對截割頭驅動電機工作參數的影響不同，基于此原理，通過檢測電機電流大小，分析出當前所需截割頭推進速度，進而實現掘進機自適應調速功能。自適應截割頭調速功能具有自動化程度高、節約電能的優點，有效提高了采掘工作的效率，對企業實現自動化和智能化具有顯著意義。