韓 偉

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦機(jī)電科， 山西 霍州 031400）

引言

在煤礦采掘工作面中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)是非常重要的機(jī)電裝備，也是煤礦巷道掘進(jìn)以及煤巖破碎的主要工具[1]。但是受到煤礦開(kāi)采技術(shù)水平的限制，我國(guó)很多煤礦中使用的掘進(jìn)機(jī)仍然通過(guò)人工方式進(jìn)行操作[2]。這種操作模式效率相對(duì)較低，且煤礦巷道成形精度不高，已然無(wú)法滿足現(xiàn)代化高效率開(kāi)采的基本需要[3]。為了解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者和技術(shù)人員以礦用掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，在自動(dòng)截割控制系統(tǒng)方面開(kāi)展了一系列分析和研究，取得了一定的研究成果[4]。通過(guò)自動(dòng)截割技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，能降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升礦用掘進(jìn)機(jī)的工作效率以及煤礦巷道的成形精度[5]。本文主要以EBZ135 型礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其自動(dòng)截割控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，并將其應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，取得了較好的效果，可以為其他煤礦企業(yè)提供很好的借鑒。

1 礦用掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)概述

本文主要以煤礦中使用比較多的懸臂式EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象。如圖1 所示為該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖可知，整個(gè)掘進(jìn)機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，內(nèi)部包含很多機(jī)械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，各個(gè)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合才能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的各項(xiàng)功能。EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)整體質(zhì)量將近40 t，長(zhǎng)×度×高為8930 mm×2800 mm×1550 mm。裝機(jī)總功率、泵站功率和截割功率分別為245 kW、100 kW 和135 kW。截割頭正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為44 r/min，履帶行走速度可以在0～8 m/s 范圍內(nèi)調(diào)整。目前，該設(shè)備的控制系統(tǒng)相對(duì)較為落后，導(dǎo)致掘進(jìn)效率無(wú)法提升，亟需針對(duì)該設(shè)備設(shè)計(jì)研究自動(dòng)截割控制系統(tǒng)。

圖1 EBZ135 掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

未使用自動(dòng)截割控制系統(tǒng)前，EBZ135 型掘進(jìn)機(jī)需要工人在操作臺(tái)上對(duì)電液比例閥的開(kāi)關(guān)進(jìn)行手動(dòng)操作，從而控制液壓缸的伸縮和高低調(diào)整動(dòng)作。本研究的目的是實(shí)現(xiàn)以上動(dòng)作的自動(dòng)化控制。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化效果，需要在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身部位和液壓缸部位安裝傳感器，對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。然后利用數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并傳入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行分析。另外，還需要控制驅(qū)動(dòng)器，控制器下達(dá)的指令需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行后，才能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸的伸縮和高低調(diào)整動(dòng)作。設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)整體方案框圖如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)整體方案框架圖

2.2 主要工作原理

距離傳感器對(duì)液壓缸的伸縮量和高低調(diào)整量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)為電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行收集，并基于A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號(hào)，傳入到上位機(jī)中。智能經(jīng)緯儀對(duì)掘進(jìn)機(jī)的空間位置進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)同樣通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡收集，然后傳入上位機(jī)。上位機(jī)控制器對(duì)傳入的信號(hào)進(jìn)行綜合分析，然后下達(dá)控制指令，并將控制信號(hào)上傳到COMPACTRIO 控制驅(qū)動(dòng)器中。驅(qū)動(dòng)器對(duì)電液伺服閥進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割臂對(duì)液壓缸的伸縮和高低調(diào)整的自動(dòng)化控制，達(dá)到自動(dòng)截割的效果。

3 主要硬件設(shè)施和軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主要硬件設(shè)施

1）距離傳感器。通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)液壓缸高低調(diào)整和回轉(zhuǎn)距離的測(cè)量范圍分別為1097～1742 mm 和1530～2281 mm?；谝陨锨闆r，選用紅外線測(cè)距傳感器，具體型號(hào)為HD-DS200CM。該傳感器的測(cè)量范圍是1000～3000 mm，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0～5 V，檢測(cè)的靈敏度為0.025 V/mm。傳感器在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，穩(wěn)定性較好，取得了較好的應(yīng)用效果。

2）智能經(jīng)緯儀。智能經(jīng)緯儀的檢測(cè)基本原理圖，如圖3 所示。檢測(cè)過(guò)程中，需要在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上安裝三個(gè)及以上的激光接收器，安裝時(shí)最好讓三個(gè)接收器呈等邊三角形對(duì)稱布置。在煤礦巷道上方，掘進(jìn)機(jī)后側(cè)位置安裝智能經(jīng)緯儀和檢測(cè)裝置，確保掘進(jìn)機(jī)與檢測(cè)裝置之間無(wú)遮擋。通過(guò)對(duì)激光的發(fā)射和反射，可以對(duì)三個(gè)接收器的具體位置進(jìn)行確定，而三點(diǎn)即可確定掘進(jìn)機(jī)的空間坐標(biāo)位置。本系統(tǒng)中利用6 個(gè)參數(shù)來(lái)描述掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)，分別為繞X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)角度和在3 個(gè)方向上的位移。

圖3 智能經(jīng)緯儀的檢測(cè)原理圖

3）數(shù)據(jù)采集卡。在選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)需要重點(diǎn)考慮四個(gè)方面的因素，分別為信息輸入的通道數(shù)量、輸入的范圍、分辨率以及數(shù)據(jù)讀取頻率?？刂葡到y(tǒng)中共有10 組數(shù)據(jù)需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，最大的信號(hào)輸入范圍為0～5 V。采集卡分辨率方面，目前常用的有12 位、14 位和16 位采集卡，其中位數(shù)越多意味著設(shè)備的分辨率越高，精度越高，所以本研究中選用16 位采集卡。綜合以上情況，最終選用型號(hào)為PCI-1742U 的數(shù)據(jù)采集卡。該型號(hào)采集卡具有非常高的采集頻率，為100 kHz～1 MHz，能夠完全滿足掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

3.2 軟件部分設(shè)計(jì)

基于Labview 軟件進(jìn)行軟件程序開(kāi)發(fā)，為了將復(fù)雜的軟件部分簡(jiǎn)單化，同時(shí)便于后續(xù)軟件的維護(hù)，因此，軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，即將整個(gè)軟件程序劃分為不同的模塊，然后對(duì)不同的模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)軟件部分的模塊化框圖，如圖4 所示。用戶首先需要登錄管理模塊才能進(jìn)入并使用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)采集卡之間通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后下達(dá)控制，傳輸?shù)紺OMPACTRIO控制驅(qū)動(dòng)器中。

圖4 控制系統(tǒng)軟件部分框架

掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)方面：

1）使用者可以在系統(tǒng)中注冊(cè)并獲得管理員權(quán)限，擁有管理員權(quán)限的人可以對(duì)系統(tǒng)中的其他使用者進(jìn)行管理。

2）可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取，并將其保存和顯示。

3）對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

4）基于系統(tǒng)中設(shè)定的數(shù)據(jù)和采集到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)截割路徑進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃。

5）對(duì)以上功能2）、3）、4）中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，可隨時(shí)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

6）將控制系統(tǒng)輸出的指令轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)。

7）確保計(jì)算機(jī)和COMPACTRIO 控制驅(qū)動(dòng)器之間的可靠連接，并將指令下達(dá)到驅(qū)動(dòng)器中。

掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)工作的主要流程圖，如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 自動(dòng)截割控制系統(tǒng)主要工作流程圖

4 自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用

將以上設(shè)計(jì)的自動(dòng)截割控制系統(tǒng)應(yīng)用到EBZ135 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)中，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)的巷道為拱形巷道，其高度和寬度分別為3 m 和3.2 m。可以直接在控制面板中輸入巷道的規(guī)格尺寸并編輯有關(guān)參數(shù)，自動(dòng)截割的步距也可在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，本案例中將其設(shè)置為500 mm。完成參數(shù)設(shè)置后摁下啟動(dòng)按鈕，EBZ135 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)能夠按照系統(tǒng)設(shè)定的要求，自動(dòng)化地完成截割工作。整個(gè)實(shí)踐測(cè)試期間，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的初步分析，認(rèn)為自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使掘進(jìn)機(jī)的工作效率提升了30%以上。另外，煤礦巷道斷面粗糙度和形狀得到了更好的保障，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。