煤礦智能化掘進系統的應用研究

王文忠

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司， 山西 忻州 036700）

引言

在我國的能源結構體系中，煤炭資源占據絕對核心的地位。為順應社會經濟發展，我國每年會開采大量煤炭資源，以供人們基本生活和工業生產需要。煤礦開采中掘進機是非常核心和關鍵的機電裝備，其自動化和智能化水平會對煤礦開采過程產生非常重要的影響，通常掘進機的智能化水平越高則煤礦開采效率越高[1]。近年來，我國在煤礦領域的技術水平雖然得到了很大的提升和發展，但不得不承認，與發達國家相比較，我國在掘進機的自動化和智能化水平上仍然存在很大差距，導致設備性能無法得到充分發揮[2]。所以如何提升掘進機的智能化水平是當前我國煤礦領域研究的熱點問題。但由于設備智能化控制涉及很多方面的內容，比如機身自主定位、自動截割成型及其控制等，所以在智能化建設方面仍然有很大的提升空間[3]。本文主要以煤礦中經常使用的懸臂式掘進機為對象，從機身定位、定向以及截割定形層面，對智能化控制技術進行研究，將其應用到工程實踐中取得了理想的效果，對于提升掘進機的智能化水平具有一定的現實意義。

1 智能化掘進系統的整體方案設計

1.1 掘進機的整體結構

本研究以煤礦中常用的EBZ200 型掘進機為研究對象，如圖1 所示為掘進機的主要結構示意圖，由圖1 可以看出，掘進機是一個非常復雜的機械結構，包含很多類型結構。其中截割部是最關鍵的構成部分，主要利用該部分對煤巖進行截割，其性能好壞會對整個設備的性能產生決定性的影響，也是智能化控制系統重點控制的對象，主要由回轉臺、伸縮部、掘進頭、液壓升降油缸、回轉油缸等部分構成[4]。

圖1 掘進機整體結構示意圖

1.2 智能化掘進系統整體方案

如圖2 所示為結合實際情況設計的智能化掘進控制系統整體方案框圖。基于壓力傳感器可以對垂直升降和水平回轉油缸的壓力進行檢測，利用電流傳感器對截割電機的電流進行檢測，利用位移和角度傳感器可對截割臂的角度進行檢測。傳感器全部基于控制器中的ADC 模塊實現與控制器的連接，并將檢測結果傳入控制器中進行分析，基于這些檢測數據可實時掌握掘進機設備的運行狀態。控制器與上位機連接，通過網絡模塊將數據傳入上位機中進行儲存，利用監控顯示屏實時呈現掘進機的工作狀態。

圖2 智能化掘進控制系統整體方案框圖

控制器在比例放大器和比例液壓閥的作用下，實現對升降油缸和回轉油缸速度及位置的控制，確保掘進頭能處在準確的位置上完成掘進工作。控制器通過變頻器對截割電機轉速進行控制，如果截割的煤巖相對較軟，則截割電機轉速可適當提高，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的輸出轉速。目標是將電機的截割電流控制在額定電流的90%～95%，防止發生電流過載現象，同時在最大限度上發揮截割電機的功率。

2 主要硬件設施的選型設計

2.1 控制器的選擇

智能化掘進控制系統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據的采集、通信以及對各項數據的分析處理，與上位機的連接通信也由主控制器完成。CPLD 屬于復雜可編程邏輯器件，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、容易更改程序等優勢[5]。本系統中利用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施的連接。

2.2 數字量輸入接口設計

傳感器采集得到的均為模擬量信號，需要經過轉換電路將其轉換成為數字量信號才能夠被控制器接收。如圖3 所示為控制器數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。因此在設計的電路圖中利用光電耦合器件TLP293-4 進行處理，其可以將12 V 的電壓信號轉變成為3.3 V 的電壓信號，以滿足控制器的實際使用需要。

圖3 數字量輸入接口電路圖

3 智能化掘進系統的軟件流程

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

圖4 實時監控界面

圖4 煤礦智能化掘進的基本流程圖

4 智能化掘進系統的應用情況

將設計的智能化掘進系統應用到EBZ200 型礦用掘進機中，對其各項性能進行現場測試，發現均達到了預期效果。與未使用該系統前相比較，掘進效果有了明顯提升，以下從掘進頭定位精度和掘進效率兩個層面進行詳細介紹。

4.1 掘進頭定位精度分析

掘進機中對掘進頭部位進行精確定位是實現智能化掘進的重要基礎和前提。為了檢驗智能化掘進控制系統對掘進頭部位的定位效果，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計結果。從圖5 中可以看出，在不同方位掘進機的截割臂定位精度都相對較高，最大誤差大約為0.6°。掘進頭的精確定位為智能化掘進過程奠定了良好的基礎。

圖5 截割臂的定位誤差分析

4.2 智能化掘進效率分析

為了分析智能化掘進系統在掘進機中的應用效果，將該系統部署成功后統計了單個截面掘進完成的時間。連續進行了三次操作，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，邀請了經驗豐富的操作人員在關閉智能化掘進系統情況下，對掘進機設備進行人工操作，統計完成單個截面的時間，結果如下頁圖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系統，使得設備的運行效率提升了13.47%。另外，由于掘進過程中設備附近的粉塵濃度相對較大，導致操作人員的能見度很低，所以截割質量較差，截面形狀誤差也很大。基于智能化掘進系統完成的截面質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出了明顯的優勢。

圖6 單個截面完成時間對比