掘錨機智能化綜合控制技術的研究

姜建紅

（華陽新材料科技集團有限公司五礦，山西 陽泉 045000）

引言

掘錨機是集井下巷道掘進和支護于一體的機械設備，能夠實現在掘進后的自動錨桿支護，其工作穩定性和可靠性就直接決定了井下巷道掘進的效率和安全性，但目前掘錨機自動化程度低，在使用過程中需要人工控制巷道掘進和錨桿支護位置，由于人工操作經驗和井下作業環境的影響，實際控制過程中掘錨機的動作滯后性大，控制精度差，導致巷道掘進時的成型質量差、支護效率低，難以滿足井下快速掘進作業的需求。因此，結合掘錨機工藝流程和掘進、支護作業需求，提出一種新的掘錨機智能控制系統并展開分析。

1 掘錨機智能控制系統結構

根據掘錨機控制特性，該智能控制系統主要包括了本體電氣控制系統、掘進機智能截割控制子系統和錨桿電氣控制子系統，其整體結構如圖1所示[1]。

由圖1可知，該智能控制系統中，利用CAN串行總線將三個系統連接成一個串行的拓撲網絡結構，各個分支線路上的數據通過“網橋”傳輸到控制中心，同時為了滿足長距離數據傳輸效率和穩定性的需求，將遠距離信號的傳輸頻率設置為10 kbs。本體電氣控制系統主要用于對系統內驅動電機的運行情況進行實時監測，將監測結果傳輸到控制中心，根據掘錨機的運行狀態控制電機的啟動、停止，并進行動態監測和保護。

掘進機智能截割控制子系統是一個閉環反饋調節控制系統，能夠實時對截割高度、截割轉速、截割載荷等進行監控，將監控結果傳輸給控制中心，控制中心依據當前的截割狀態對掘進機截割作業情況進行調整，滿足安全、高效、精確的截割作業需求。

圖1 掘進機智能控制系統結構

錨桿電氣控制子系統主要用于對錨桿機運行狀態的實時控制，該控制系統為單向控制，通過遙控器發出控制指令，系統接收到控制指令后將其傳輸到錨桿的主運動控制器內，由主運動控制系統下達輔助控制指令，來控制錨桿的動作。

2 掘錨機智能化本體電氣控制系統

該控制系統主要是利用EPEC控制器來對系統內的5個電氣回路進行統一控制，其整體控制框架如圖2所示。在該控制系統中，主要是通過對KAX所示的繼電器和KMX所示的真空接觸器的控制來實現對整體回路的控制。在運行過程中系統量通過對隔離保護模塊的監測，來確定電機是否能夠安全的啟動。系統內的開關量采集系統對各個開關量信號進行采集并通過數據總線傳遞到EPEC控制器內，結合各個回路內電壓、電流傳感器傳輸的控制信號，來實現對電機運行狀態的實時監測和智能保護，滿足掘錨機整體協調運行安全性的需求。根據實際應用表明，該電氣控制系統具有結構簡單、控制精確性好的優點，能夠顯著提升掘進機運行時的穩定性和靈敏性，在集中控制作用下的反應速度比優化前提升了89.6%，顯著提升了井下掘錨機的工作效率。

圖2 本體電氣控制系統示意圖

3 掘進機智能截割控制子系統

掘進機智能截割控制系統主要用于對掘進機運行狀態的智能監測，這些監測主要是通過分布在掘進機上的各類傳感器設備進行的，該智能截割控制子系統整體結構如圖3所示[2]。

圖3 智能截割控制子系統

在運行控制過程中，系統通過位于截割滾筒內的脈沖傳感器來對截割機構的坐標位置進行監測，并將監測結果轉換為弱電流控制信號來傳輸到控制中心，經過邏輯數據修正后來確定最終的截割坐標位置。通過角度傳感器來監測掘進機截割臂的傾角和鏟板的傾角，通過編碼器來對截割過程中的截割臂旋轉角度進行測量，將數據測量結果同樣以電信號的形式傳遞給控制中心，同時接受控制中心下達的各類指令，控制相應的機構按指令來完成調整控制[3]。系統具有閉環調節控制功能，能夠對調整后的狀態進行不斷修正，使其最大限度地滿足調整精確性的需求，根據實際驗證采用該閉環截割控制系統后，能將截割作業時的調整精度由±55 mm降低到目前的±4.4 mm，調整控制精度比優化前提升了92%，極大地確保了截割作業的精確性。

4 錨桿電氣控制子系統

錨桿電氣控制系統主要是對錨桿支護進行遠程控制，為了降低調整難度提升支護可靠性，系統采用了遠程開環控制模式，所有的控制信號通過遙控器發出，接收到信號后傳遞到CAN數據總線上，控制邏輯簡單、可靠性好，該錨桿電氣控制系統的整體結構如圖4所示[4]。

圖4 錨桿電氣系統結構示意圖

在該系統中，遙控接收裝置設置在機體控制柜上，接收裝置和主運動控制器、輔助運動控制器間通過CAN數據網絡進行連接，控制指令傳輸到主運動控制器后進行分析，對指令進行分解后傳遞給輔助運動控制器，控制各執行機構的運動，滿足支護作業過程中支護靈活性和穩定性的需求。

5 結論

1）該智能控制系統主要包括本體電氣控制系統、掘進機智能截割控制子系統和錨桿電氣控制子系統，結構簡單，模塊化程度高，擴展性好；

2）在本體電氣控制系統中，利用EPEC控制器來對系統內的5個電氣回路進行統一控制，系統的反應速度比優化前提升了89.6%；

3）掘進機智能截割控制系統作用下，掘錨機的調整控制精度比優化前提升了92%，極大地確保了截割作業的精確性；

4）錨桿電氣控制系統控制邏輯簡單、可靠性好，能夠滿足滿足支護作業過程中支護靈活性和穩定性的需求。