懸臂式掘進機自動截割系統設計應用*

吳 東

(山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200)

0 引 言

掘進機是煤礦井下重要的綜合掘進設備，在煤礦綜掘工作面得到了廣泛使用。我國煤礦井下綜掘率僅為48.12%，除井下水害、瓦斯、粉塵、巷道自然條件等因素制約外，掘進機自動截割技術成為影響礦井綜掘率的關鍵因素。目前，掘進機仍需配備掘進機司機人工操作而完成巷道掘進任務，巷道成型不規則、掘進路線嚴重偏差、超挖/欠挖現象嚴重，成為制約綜掘工作面生產效率低下的原因之一[1]。為解決智能化煤礦開采中遇到的“采掘失衡、掘進滯后”的問題，提升綜掘工作面生產效率，國內外專家學者對掘進機智能化、自動截割技術展開一系列的研究，如文獻[2]建立掘進機機身及截割頭數學模型，研究了掘進機位姿檢測技術、自動控制技術以及巷道斷面自動成形技術等，并完成模型仿真；文獻[3]以EBZ-260懸臂式掘進機為研究對象，建立掘進機運行參數與巷道斷面之間的數學模型，建立掘進機運動學、動力學方程，實現掘進機自動截割過程以及全過程監測；文獻[4]設計并實現了懸臂式掘進機截割過程的視頻監控系統，掘進機司機通過該系統可全面掌握掘進機運行狀態，改善了掘進機巷道成形以及超挖/欠挖問題。文章針對綜掘工作面巷道成形差、掘進效率不高的問題，提出以PCC+PP480為控制核心的懸臂式掘進機自動截割系統方案，能夠提高掘進效率，提升巷道成形質量，達到提升掘進機截割系統的穩定性和精確性的目的，對增進綜掘工作面生產效率具有重要意義。

1 自動截割控制系統架構設計方案

懸臂式掘進機由截割部、行走部、轉載部三部分組成，其中行走部由左右履帶式行走機構組成，掘進機控制系統通過控制電磁閥進而由液壓馬達驅動完成履帶式行走；轉載部由轉載電機、刮板輸送鏈、星輪等組成，可將截割的煤塊轉運至位于掘進機后方的破碎機；截割部由截割頭、回轉油缸、升降油缸等組成，通過截割頭的上下、左右、前后周而復始的運動將煤壁破碎，進而形成一個完整的拱形、矩形巷道[5-6]。掘進機自動截割控制技術即通過人機界面，輸入控制參數，掘進機可按照預設的自動截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序自動控制油缸、截割速度、截割范圍、截割方向，最終形成滿足預設的巷道斷面。

圖1 懸臂式掘進機自動截割控制系統設計框圖

懸臂式掘進機自動截割控制系統設計見圖1所示，為完成自動截割控制，該系統需完成的工作有：①截割頭軌跡跟蹤：建立截割頭軌跡運動學模型，實時計算并反饋截割頭位置，保證巷道斷面成形質量；②截割頭路徑規劃：根據該巷道的掘進工藝以及巷道成形形狀，建立截割頭路徑規劃模型，杜絕超挖/欠挖；③自動截割控制：根據截割頭路徑規劃需求，控制回轉油缸、升降油缸，并實現搖臂的上下、左右、前后控制，同時控制截割臂運動方向和運動速度，實現截割頭軌跡跟蹤；④自適應截割：根據巷道地質條件和載荷變化，動態改變截割速度、截割臂擺動速度。掘進機自動截割控制系統獲取工控機人機界面中的巷道參數、掘進機參數后，根據截割頭路徑規劃、截割頭軌跡跟蹤方案對截割過程進行控制并以通信方式將控制方案傳送給PCC[7-8]。PCC動態、周期性獲取回轉油缸位移傳感器、升降油缸位移傳感器、截割電機電流傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器數據經D/A轉換后完成截割頭坐標解算，動態修正截割頭軌跡控制；將修正后的控制方案傳送給PCC，經數據處理后以及A/D轉換后控制電液比例閥，進而完成掘進機自動截割控制過程。

2 系統硬件設計

懸臂式掘進機自動截割控制技術硬件方案見圖2所示，上位機智能控制面板PP480內預設自動截割程序、記憶截割程序以及邊界控制程序，同時可動態顯示截割頭運動軌跡以及巷道斷面輪廓。上位機PP480與下位機PCC以CAN通信方式進行數據交互，PCC同時周期性采集回轉油缸、升降油缸以及截割電機電流傳感器數據進行邏輯分析和判斷并修正自動截割程序。上位機將滿足該巷道地質條件以及輪廓參數的自動截割控制程序傳送給下位機形成最終控制程序。通過操作手柄、遙控器發出掘進機控制指令，經比例放大器后控制負載敏感式多路比例換向閥組，進而控制回轉臺回轉油缸、截割臂升降油缸，最終控制截割頭按照預設軌跡進行控制。

圖2 懸臂式掘進機自動截割控制系統硬件設計

PCC選用的型號為CP570，由計算機、自動控制模塊以及通信模塊三部分組成，具有高性能輸入輸出并行總線以及相對獨立的系統總線，數據傳輸穩定、數據處理能力強、組網能力強、安裝方便、適應能力好的優點。上位機智能控制面板選用的型號為PP480，能夠為系統提供較好的人機交互界面，同時可承擔部分控制和計算任務。回轉油缸、升降油缸位移傳感器選用的型號為GUC1000，該位移傳感器為礦用本安型，利用磁脈沖原理將位移信號轉換為4～20 mA電流信號，內部由電子發射器和傳感器測量單元組成，采用非接觸式測量直線位置變化，具備測量精度高、適應范圍廣、穩定性好的特點。電流傳感器選用的型號為CS30-800AA.C，供電電壓為DC24V，輸出信號為4～20 mA電流信號或者1～5 V電壓信號，檢測精度高。比例放大板選用的型號為EV22K2-12/24，可將PCC輸出的模擬信號放大并傳送至自動截割系統的液壓裝置控制端。電液比例換向閥選用的型號為PSL，可接收比例放大板信號，實現液壓系統壓力、流速控制，進而實現截割臂、截割頭的無限調速。

3 系統軟件設計

懸臂式掘進機自動截割控制技術軟件方案基于B&R Automation Studio軟件平臺實現，采用C++編程語言實現。懸臂式掘進機自動截割控制軟件系統模塊劃分見圖3所示，有自動截割、手動截割兩種控制模式，有手動、半自動、全自動三種操作方式。自動截割模式即控制系統按照PCC生成的截割路徑、截割軌跡進行自動截割和自動刷幫；必要時，可進行人工干預；手動截割模式即巷道環境異常惡劣無法進行自動截割時，由掘進機司機通過遙控器、控制手柄手動完成截割過程。

圖3 懸臂式掘進機自動截割控制系統軟件模塊劃分

4 應用分析

懸臂式掘進機自動截割控制系統工業試驗綜掘工作面煤層賦存穩定，巷道開口煤層厚度在9.0～10.0 m之間，1 000 m煤層厚度為5.0～5.4 m之間，煤層傾角為2°～4°，夾矸層厚度約為0.5 m。該綜掘工作面巷道底板以炭質泥巖和泥巖為主，煤層頂板以灰白色粗粒砂巖為主；采用矩形巷道，進刀深度為0.65 m，截割順序為自下而上→自右而左→自上而下，左右兩幫預留500 mm。在該綜掘工作面進行為期6個月的工業試驗，根據設計的懸臂式掘進機自動截割控制系統對該掘進機的生產率、瞬時切削率、最大掘進速度、不同截割工況時的截割電流等值進行預測、實測。表1所列為6個月內該巷道掘進機生產效率、瞬時切削率、最大掘進速度預測與實際值統計表。

表1 懸臂式掘進機性能預測與實測值統計

由表1可知，掘進機生產率、瞬時切削率、最大掘進機速度的預測值大于實測值，存在相對偏差。懸臂式掘進機實際生產過程中，由于機械、電氣、液壓復雜系統協同配合工作，存在發生故障的概率，故障耦合性較強，會影響掘進機運行性能，實測值與掘進機實際運行工況相符。

表2所列為懸臂式掘進機在不同運行工況時的截割電機電流變化統計表，自動截割時截割電機電流明顯小于手動截割時截割電機電流值，且手動截割時由于煤塵較大，掘進機司機完成根據積累的經驗甄別截割頭實時位置以及速度，一次斷面成形時間高達20 min。運用自動截割操作模式后，巷道一次斷面成形平均時間為16 min，且無超挖/欠挖問題，成形效果較好。

表2 不同工況時懸臂式掘進機截割電機電流值

5 結 語

以綜掘工作面掘懸臂式掘進機為對象，研究了掘進機自動截割控制技術，并得出以下結論：①以PCC+PP480為核心，構建懸臂式掘進機自動截割控制系統，并將自動截割、記憶截割、邊界控制程序嵌入PP480智能控制面板，經PCC修正后控制掘進機截割過程；②完成工業試驗，試驗結果表明該自動截割控制系統在提升掘進機生產率、提高巷道斷面成形質量等方面效果明顯；③該自動截割控制系統能夠保證掘進機高效、安全、穩定工作。