煤礦智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王文忠

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036700）

引言

在我國的能源結(jié)構(gòu)體系中，煤炭資源占據(jù)絕對核心的地位。為順應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國每年會開采大量煤炭資源，以供人們基本生活和工業(yè)生產(chǎn)需要。煤礦開采中掘進(jìn)機(jī)是非常核心和關(guān)鍵的機(jī)電裝備，其自動化和智能化水平會對煤礦開采過程產(chǎn)生非常重要的影響，通常掘進(jìn)機(jī)的智能化水平越高則煤礦開采效率越高[1]。近年來，我國在煤礦領(lǐng)域的技術(shù)水平雖然得到了很大的提升和發(fā)展，但不得不承認(rèn)，與發(fā)達(dá)國家相比較，我國在掘進(jìn)機(jī)的自動化和智能化水平上仍然存在很大差距，導(dǎo)致設(shè)備性能無法得到充分發(fā)揮[2]。所以如何提升掘進(jìn)機(jī)的智能化水平是當(dāng)前我國煤礦領(lǐng)域研究的熱點問題。但由于設(shè)備智能化控制涉及很多方面的內(nèi)容，比如機(jī)身自主定位、自動截割成型及其控制等，所以在智能化建設(shè)方面仍然有很大的提升空間[3]。本文主要以煤礦中經(jīng)常使用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象，從機(jī)身定位、定向以及截割定形層面，對智能化控制技術(shù)進(jìn)行研究，將其應(yīng)用到工程實踐中取得了理想的效果，對于提升掘進(jìn)機(jī)的智能化水平具有一定的現(xiàn)實意義。

1 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

1.1 掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

本研究以煤礦中常用的EBZ200 型掘進(jìn)機(jī)為研究對象，如圖1 所示為掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1 可以看出，掘進(jìn)機(jī)是一個非常復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包含很多類型結(jié)構(gòu)。其中截割部是最關(guān)鍵的構(gòu)成部分，主要利用該部分對煤巖進(jìn)行截割，其性能好壞會對整個設(shè)備的性能產(chǎn)生決定性的影響，也是智能化控制系統(tǒng)重點控制的對象，主要由回轉(zhuǎn)臺、伸縮部、掘進(jìn)頭、液壓升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸等部分構(gòu)成[4]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)整體方案

如圖2 所示為結(jié)合實際情況設(shè)計的智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)整體方案框圖。基于壓力傳感器可以對垂直升降和水平回轉(zhuǎn)油缸的壓力進(jìn)行檢測，利用電流傳感器對截割電機(jī)的電流進(jìn)行檢測，利用位移和角度傳感器可對截割臂的角度進(jìn)行檢測。傳感器全部基于控制器中的ADC 模塊實現(xiàn)與控制器的連接，并將檢測結(jié)果傳入控制器中進(jìn)行分析，基于這些檢測數(shù)據(jù)可實時掌握掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的運行狀態(tài)。控制器與上位機(jī)連接，通過網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)中進(jìn)行儲存，利用監(jiān)控顯示屏實時呈現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。

圖2 智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)整體方案框圖

控制器在比例放大器和比例液壓閥的作用下，實現(xiàn)對升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸速度及位置的控制，確保掘進(jìn)頭能處在準(zhǔn)確的位置上完成掘進(jìn)工作。控制器通過變頻器對截割電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，如果截割的煤巖相對較軟，則截割電機(jī)轉(zhuǎn)速可適當(dāng)提高，相反的如果截割煤巖硬度相對較大，則需通過變頻器降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。目標(biāo)是將電機(jī)的截割電流控制在額定電流的90%～95%，防止發(fā)生電流過載現(xiàn)象，同時在最大限度上發(fā)揮截割電機(jī)的功率。

2 主要硬件設(shè)施的選型設(shè)計

2.1 控制器的選擇

智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)中的控制器選用主從控制模式，其中主控制器選用的是DSP，具體型號為TMS320F2812，輔控制器選用的是CPLD。主控制器主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、通信以及對各項數(shù)據(jù)的分析處理，與上位機(jī)的連接通信也由主控制器完成。CPLD 屬于復(fù)雜可編程邏輯器件，特別適合在多I/O引腳和大容量的場合使用，具有編程簡單、容易更改程序等優(yōu)勢[5]。本系統(tǒng)中利用CPLD 的目的主要是拓展DSP 主控制器的I/O 引腳，從而提升整個控制器的可拓展性能，便于與其他各項硬件設(shè)施的連接。

2.2 數(shù)字量輸入接口設(shè)計

傳感器采集得到的均為模擬量信號，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號才能夠被控制器接收。如圖3 所示為控制器數(shù)字量接入接口的電路圖。由于各種模擬量信號采集得到的多為12 V 的電壓，但是控制器最多只能接受3.3 V 的電壓信號。因此在設(shè)計的電路圖中利用光電耦合器件TLP293-4 進(jìn)行處理，其可以將12 V 的電壓信號轉(zhuǎn)變成為3.3 V 的電壓信號，以滿足控制器的實際使用需要。

圖3 數(shù)字量輸入接口電路圖

3 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的軟件流程

為了確保智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)軟件程序編寫的方便性，整個軟件程序基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計與編寫，共包括一個主程序和多個子程序。本文主要對主程序進(jìn)行介紹，如圖4 所示為煤礦智能化掘進(jìn)的基本主程序流程圖。由圖4 可知，系統(tǒng)開始運行后需要結(jié)合實際情況選擇合適的斷面形狀，然后在設(shè)備中設(shè)置合適的技術(shù)參數(shù)，再將截割臂調(diào)整到初始化的位置。完成上述工作后，開啟自動成型控制子程序，對截面進(jìn)行截割。整個過程中需要對截割電機(jī)電流、液壓油缸的升降位移和角度等進(jìn)行實時監(jiān)測，直到完成整個截割過程。

圖4 實時監(jiān)控界面

圖4 煤礦智能化掘進(jìn)的基本流程圖

4 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用情況

將設(shè)計的智能化掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用到EBZ200 型礦用掘進(jìn)機(jī)中，對其各項性能進(jìn)行現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)均達(dá)到了預(yù)期效果。與未使用該系統(tǒng)前相比較，掘進(jìn)效果有了明顯提升，以下從掘進(jìn)頭定位精度和掘進(jìn)效率兩個層面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1 掘進(jìn)頭定位精度分析

掘進(jìn)機(jī)中對掘進(jìn)頭部位進(jìn)行精確定位是實現(xiàn)智能化掘進(jìn)的重要基礎(chǔ)和前提。為了檢驗智能化掘進(jìn)控制系統(tǒng)對掘進(jìn)頭部位的定位效果，分析了截割臂在豎直方向角度θ1分別處于0°、20°、-20°時，在水平方向（-20°～20°）移動時的定位誤差情況，如圖5所示為截割臂的定位誤差統(tǒng)計結(jié)果。從圖5 中可以看出，在不同方位掘進(jìn)機(jī)的截割臂定位精度都相對較高，最大誤差大約為0.6°。掘進(jìn)頭的精確定位為智能化掘進(jìn)過程奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖5 截割臂的定位誤差分析

4.2 智能化掘進(jìn)效率分析

為了分析智能化掘進(jìn)系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用效果，將該系統(tǒng)部署成功后統(tǒng)計了單個截面掘進(jìn)完成的時間。連續(xù)進(jìn)行了三次操作，記錄的時間分別為16.7 min、16.5 min、16.9 min，平均值為16.7 min，如下頁圖6 所示。為了更好地對比分析，邀請了經(jīng)驗豐富的操作人員在關(guān)閉智能化掘進(jìn)系統(tǒng)情況下，對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行人工操作，統(tǒng)計完成單個截面的時間，結(jié)果如下頁圖6 所示。由圖6 可以看出，三次完成的時間分別為19.3 min、19.1 min、19.5 min，平均值為19.3 min。由此可見，通過使用智能化掘進(jìn)系統(tǒng)，使得設(shè)備的運行效率提升了13.47%。另外，由于掘進(jìn)過程中設(shè)備附近的粉塵濃度相對較大，導(dǎo)致操作人員的能見度很低，所以截割質(zhì)量較差，截面形狀誤差也很大。基于智能化掘進(jìn)系統(tǒng)完成的截面質(zhì)量不管是形狀還是尺寸精度都較高，效果非常好，與人工截割方式相比較呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

圖6 單個截面完成時間對比