自适应截割功能在掘进机控制系统中的应用

成海斌

（西山煤电集团西铭矿， 山西 太原 030053）

引言

目前，我国生产的悬臂式掘进机智能化程度低，控制系统相对简单，传统的掘进机截割头控制通过节流式分流阀进行逐级调速，这种方式存在大量能源浪费，而且掘进采煤过程非常依赖有经验的操作员工进行，稍有操作不当可能引起掘进机故障停工。因此对掘进机控制系统进行技术改进具有重要意义，随着数字信号处理技术、传感器技术和计算机技术的发展，掘进机自动化程序越来越高，具有自适应截割功能的悬臂式掘进机逐渐应用于煤炭掘进行业。本文对具有自适应截割功能的悬臂式掘进机相关技术进行了分析总结，重点分析了软硬件设计方法[1]。

1 自适应截割控制概述

掘进机进行井下巷道掘进时，不同的地质构造对其工作的影响不同，截割头所开拓的对象可能是煤炭，也有可能是参杂着程度不同的硬质岩石，甚至可能完全是岩石层断面。掘进机破岩效果是由截割转矩决定的，硬度越高的岩层所需的截割转矩越大，因此掘进机在破岩过程中会不断调整截割头的转速，以达到当前最佳的破岩效果，但是在岩石和煤层交替的情况下，截割头的转速调整并不总是迅速而准确，因此经常长时间处于低速截割状态，减慢了掘进速度。随着我国煤炭开采机械技术的进步，小型的掘进机已经不能满足大型煤矿企业的产能要求，目前我国使用的掘进机功率已经达到200 kW，为了提高在各类地质结构环境中的截割速度，截割头转速和截割部摆动速度也需要纳入控制参数当中[2-3]。

在我国，变频器驱动技术较少应用于掘进机的截割电机，英国采用变频器调速的掘进机可以通过人工操作来调节截割头的转速，在一定程度上提高了截割效率，但是自动化程度依然较低。截割头自适应控制的前提是准确判断当前截割的是煤层还是岩层。煤岩识别技术是一项复杂的技术，没有成熟有效的识别方案，因此变频器的操作无法实现自动化，目前大多依赖人工经验进行手动调整，这就造成了不同经验的操作人员截割效率不同，为了确保安全，工作人员通常会以牺牲效率的方式进行调速控制。掘进机的截割头是由截割电机进行驱动的，液压缸和回转台配合实现截割头左右方向的运动，液压缸升降推动截割部实现截割头的上限方向运动。截割头截割煤层或岩层时，截割电机的电流、液压缸的油压是不同的，通过截割电机的电流和液压缸的油压判断当前的截割状态，然后针对不同的截割状态控制不同的截割速度，即可实现自适应截割功能[4-5]。

2 截割头自适应控制相关硬件设计

截割头自适应控制最关键的硬件设计包括位移传感器设计和电液比例阀设计。

2.1 位移传感器设计

截割头的位置和速度是由三种不同功能的油缸工作状态决定的，为了得到截割头位置和速度的信息，在截割头伸缩油缸、回转台回转油缸和截割部升降油缸内安装了位移传感器。相较于回转台回转油缸，水平回转油缸和升降油缸更加重要，因此水平回转油缸和升降油缸均采用双位移传感器配置。适用于煤矿的直线位移传感器由波导丝、外管、磁环等部件组成，其结构如下页图1 所示。

直线位移传感器工作原理：磁环式直线位移传感器的特殊结构会产生沿波导管的一束纵向磁场，电子部件发出的电流信号能够在磁场的约束下按照指定路径传播，通过记录发出应变脉冲和接收返回信号的时间，计算磁环的位置，从而得到此时磁环的位移。磁环式直线位移传感器具有数据精确、实时性好、免标定的特点，失电后重新上电可正常使用。这种测量方法具有实时性强、测量准确，同时不用定期标定，也不用担心断电后的归零问题。相较于接触式拉绳位移传感器，磁环式位移传感器测量过程中无机械接触，机械损耗和电能损耗很低，长期使用累计误差较小，十分适合井下潮湿、闷热的工作环境。

图1 直线位移传感器

2.2 电液比例阀设计

电液比例阀由电子放大器、比例电磁铁、滑阀芯、弹簧等构成。电液比例阀的开通过程是：输入控制电压信号的范围是0～10 V，通过电子放大器将电压信号转换成对应大小的电流信号，比例电磁铁通过此电流后，产生一个力作用在滑阀芯上，因此输入电压越高，电磁铁通过的电流就越大，最后滑阀芯上的力也就越大，产生的位移就越大，比例阀的开度越大，输入电压和阀的开度成比例，因此称之为电液比例阀。电液比例阀的关断过程是：输入控制电压信号为0 后，电磁铁内通过的电流为0，滑阀芯失去电磁铁提供的作用力从而返回原位，液压油路被切断。除了主阀以外，有的电液比例阀还有先导阀，先导阀是一种控制主阀压力和流量的辅助阀，通过电压变化控制掘进机所有动作和速度调节[6-9]。

管路的联通和断开是通过电磁阀进行的，在电磁阀的基础上，电液比例阀的各方面性能更佳，目前已经开始全面替代传统的电磁阀。通过电液比例阀和液压缸的组合可以对机械设备进行无级调速。电液比例阀的工作原理是：改变控制端的电压大小，从而改变阀的开度大小，液压缸内的液体流量输出也随之改变，开度大小可通过多种物理量进行表示，力的大小、压力大小和电压大小均可表示。电液比例阀是一种结合电控系统和液压系统优点的机电装置，控制上具有电控系统灵活、准确、快速的优点，机械上具有能量大的优点。由于具有远程控制功能，且具有良好的响应速度和控制精度，电液比例阀在煤矿机械设备中得到了广泛应用，提高了煤矿液压系统的自动化程度。基于以上优点，在本设计中的掘进机油路系统中，例如截割部升降油缸、回转油缸、截割头伸缩油缸中均采用这种控制方式进行调速，实际应用表明能够达到预期的效果。

3 掘进机控制系统软件设计

3.1 下位机软件

下位机软件整体结构见图2，主要实现以下功能：

1）数据管理功能：对接触器、传感器等产生的信号和数据进行集中管理。

2）与上位机通讯功能：完成与操作箱、智能模块和上位机软件等的通信。

3）人机交互功能：操作人员可以通过下位机软件对掘进机进行控制，掘进机的运行状态和参数可以通过下位机软件向工作人员显示。

4）输出控制功能：主要通过相关控制算法完成对变频器的控制。

5）电机保护功能：实现电机的启动保护与运行中的各类保护。

图2 下位机软件整体结构

3.2 上位机软件

上位机软件包括监控主画面、报警界面和截割部状态监测画面。

1）掘进机监控主画面：显示掘进机的实时工作状态，主要是电机的状态和液压系统液压油的状态，包括截割电机、风机电机、二运电机和油泵电机的电流、绕组温度，还包括液压系统的油温、油位等信息，使工作人员方便观察掘进机的运行状况。

2）掘进机历史故障查询界面：可以查询的报警信息，主要包括日期和时间、故障类型、数值、备注等信息，报文通过标准的格式存入数据库，通过SQL语句实现对报文的查询和修改。掘进机维修人员能够通过对报文的查询分析掘进机工作状态，提高维护的工作效率。

3）截割部状态监测画面：截割部是掘进机最关键的部件，其中截割电机产生的各类故障占掘进机故障的大多数，因此需要设计专用的截割部状态监测画面，通过监测数据和电机电流温度等参数的统计，从而动态制定检修计划，降低截割部故障的概率。

4 结语

不同硬度的岩石和煤层对截割头驱动电机工作参数的影响不同，基于此原理，通过检测电机电流大小，分析出当前所需截割头推进速度，进而实现掘进机自适应调速功能。自适应截割头调速功能具有自动化程度高、节约电能的优点，有效提高了采掘工作的效率，对企业实现自动化和智能化具有显著意义。