矿井掘进机自动化控制技术研究

矿井掘进机自动化控制技术研究

摘要：为解决人工操作掘进机截割煤巷成形效果差、效率低、强度高等问题，借助较为成熟的PLC控制技术，截割自动化控制采用慢启慢停加速控制以及对截割臂摆动速度分阶段调节。通过工业性实践表明，掘进机截割煤巷在自动化控制下，巷道平整，安全性高，成巷速度快，为矿井生产效益提供了有力保障。

关键词：自动化控制掘进机传感器A/D转换器

随着科学技术的进步，掘进机截割巷道的生产逐渐发展成为自动化控制，实现无人值守的掘进工作面，确保巷道断面自动截割成形质量以及精准调控截割臂摆动速率[1-2]。因此，以某矿实际掘进巷道的生产条件和掘进机参数为基础，利用当前发展较为成熟的PLC自动控制器为中心，开展矿井掘进机截割煤岩自动化控制技术研究。

1掘进机结构参数

以EBZ200型悬臂式掘进机[3]作为研究对象，该型号掘进机主要适应全煤或者半煤半岩的岩石层，可截割单向抗压为95MPa强度的岩石，可形成宽度为2.5~6.0m，高度为2.0~5.0m断面巷道，截割出来的最大巷道断面面积为3024m2，巷道坡度为±20°。该悬臂式掘进机主要有三大执行结构，分别为截割部、行走部、装运部，组成系统分别是供电、液压、进排水三个体系，实现掘进机功能的动作主要靠机械部件和液压元件完成。EBZ200型掘进机因采用了液压、控制器等，能够做到硬性截割与柔性曲线运转相结合，可显著提高掘进效率和巷道质量。EBZ200型悬臂式掘进机结构简图如图1所示，主要技术参数详见表1。

2截割自动化控制策略

掘进机截割自动控制技术[4]是以人工操作掘进机为数据参考基础，经过矿井现场掘进调研，操作司机是根据激光指向仪粗略估算掘进的定位，通过改变操作台上手柄来控制电流比例阀开口度，进而调控摆角，此时液压缸内流量达到适当位置，推动活塞杆运转，就实现了截割部垂直方向和水平方向的调换以及截割速度调节。操作司机通过肉眼观察截割部位，凭借经验对手柄控制操作。但由于井下工作环境恶劣，作业条件极差，视线受井下煤尘等杂物干扰，造成操作司机难以精准把控，截割断面坑坑洼洼，与设计值偏差较大，截割头摆动严重，为提高掘进机截割效果，决定采用自动化控制技术来对掘进机进行控制。可编程控制器PLC具有逻辑判断分析能力，通过检测传感器收集到的信息数据，再经过相应处理后，发出控制指令，在激光定位系统配合下控制液压系统、电气系统以及机械结构发生准确的动作。自动化控制技术对掘进机截割实现控制原理见下页图2所示。为了精准控制掘进机截割巷道，自动化控制采用慢启慢停加速控制以及对截割臂摆动速度采用分阶段控制调节策略，见下页图3所示。慢启慢停主要是确保巷道断面成形精度、保护电机使用寿命、防止截割头因急停、急启动造成剧烈振动而损伤；分阶段调节截割臂运行速度主要是确保液压系统能够及时供液、截割中实现无极调速和保持电机恒定功率运行。

3自动控制元器件选择

掘进机自动控制系统硬件主要包含PLC控制器、模块、电源、控制板、线路、检测传感器、转换器等，图4为掘进机自动控制系统的部分硬件设施。3.1传感器为了精准定位，确保掘进机截割臂截割轨迹达到设计值，因此选用重力摆式倾角检测传感器，该传感器是磁敏电阻型，能够实现无接触触点精密检测倾角，可实时检测掘进机掘进期间截割臂在垂直方向的摆动角以及掘进机机身处于的角度。为了检测截割臂水平方向的摆动角，选用SMR磁敏感传感器，该传感器具有编码器功能，在工作中与感应齿配合使用。截割头的伸长量检测选择行程传感器，考虑精度和位置因素，行程传感器安装在油缸内。在自动化控制当中选用型号为CHY-220AS/V电流检查传感器，该传感器具有将采集到的掘进机电机电流信息经过变送器作用转换成自动控制器PLC需要的标准数据信息。该电流传感器能够检测到0~220A范围内的电流，输送线性度为1.2%，供电电压范围在10~20V，经过转换后输出的电流信号范围为0~25mA。3.2A/D转换器为了转换数据信息，在PLC控制器扩展口上选用FX2N-4AD型A/D转换器。A/D转换器共计四个传输通道，在接收的过程中，能够把模拟信号数据转换为数字信息。信号分辨率的最大值高达16位，电压和电流输入/输出信号均是在接线端与转换器进行变换，转换后的电压范围值在-10~10V，电流信号范围为-20~20mA，PLC控制器发出FROM/TO指令通过传输通道达到执行元件[5]。

4自动控制实现功能

在人工操作掘进基础上，通过模拟仿真以及试验等手段，在PLC控制器上开发可编程序语言，包含掘进机截割路径、摇臂摆动角度、截割头速度调节等内容，在开关转换以及启停按钮变换自动调节掘进机截割臂动作、方向、作用力等。为了确保巷道断面成形质量以及煤壁巷帮平整，自动控制器需要控制摇臂进行扫底工作。在掘进机工作期间，对摇臂摆动速度设定为高、中、低三种速度，A/D转换器将变送器收集到的电流信号进行转换，转换后得到掘进机截割电机电压信号范围为0~5V，并把该范围的电压值分为三个档次与速度档次相匹配，即截割臂高速摆动对应的电压为0~2V，截割臂中速摆动对应的电压为2~4V，截割臂低速摆动对应的电压为4~5V，分别在三个对应的比例放大器作用下输出三种不同的电流信息，自动控制掘进机截割流程如图5所示。

5工程实践

自动化控制EBZ200型悬臂式掘进机在某矿井下半煤岩巷进行了工业性实践。掘进机在自动化PLC技术控制下，与设计值相比，巷道两帮误差均值为321.6mm，单边误差均值为152.5mm，均小于人工操作误差均值。机身初始位置在巷道中心线上，无明显偏差，单边定位精度小于30mm，回转定位精度小于15mm，连续完成断面截割和扫底动作，自动截割运行效果良好，截割的断面完全满足使用要求，在掘进过程中，掘进机未出现机械故障。人工操作至少需要人数为8人，在自动化控制技术下，人员数量5人即可进行巷道掘进。在自动化PLC技术控制下，实现了快速掘进，降低了工人劳动强度，提高了巷道断面质量和生产效率。

[4]赵东升.悬臂掘进机工作机构自动控制系统的研究[D].西安：西安科技大学，2005.

[5]刘桂兰，祖国建.煤矿皮带机的PLC改造[J].煤炭技术，2011，30（7）：7-9.

作者：李云 单位：山西煤炭运销集团马家岩煤业有限公司