煤礦機載液壓錨桿鉆機控制系統設計

陳志良 王子越 曹曉明 郭吉昌

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

我國井工煤礦每年新掘進的巷道總長度超過12 000 km，是我國規模最大的地下工程。巷道支護是井工開采的關鍵技術之一。錨桿、錨索支護是我國煤礦巷道的主體支護方式[1]。液壓錨桿鉆機是錨桿支護工程施工的關鍵設備之一，影響著支護質量的好壞與支護速度的快慢。在煤巷礦道和巖土錨固工程施工中，普遍使用機載型液壓錨桿鉆機[2]。但是，錨桿鉆機的控制主要依賴人工手動控制，對操作人員技術依賴性高，且無法面向不同圍巖實現鉆機的自適應鉆進[3]。

現有機載液壓錨桿鉆機通過位置傳感器感應錨桿的鉆進位置，通過液壓壓力傳感器檢測油缸鉆進壓強，通過流量傳感器檢測流經液壓缸的流量[4-6]。機載液壓錨桿鉆機在煤礦巷道作業的過程中，長時間受到水及煤渣的沖刷，導致外置位置傳感器使用壽命和使用效果極易受到影響。雖然增加傳感器的數量和種類可以提高系統感知環境的能力，但傳感器的數量增多也會增加系統的整體故障率。除了增加成本以外，過多的傳感器還會加大數據融合難度，增加控制程序的編寫和維護難度。

針對上述問題，本文提出一種僅使用液壓壓力傳感器的煤礦機載液壓錨桿鉆機控制系統。系統以傳統可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為控制器，將推進液壓缸或液壓馬達的壓強大小作為自動化施工過程的啟停信號。

1 機載液壓錨桿鉆機控制系統設計方案

典型自動控制系統由控制器、被控對象、執行器以及傳感器4部分組成。機載液壓錨桿鉆機控制系統的設計方案，如圖1所示。

（1）PLC是錨桿鉆機控制系統的控制器。PLC搭配傳統輸入/輸出（Input/Output，I/O）模塊，可實現開關量、模擬量的輸入輸出。PLC搭配特殊I/O模塊可實現脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號的輸出，直接控制液壓比例閥。PLC內部定時器可以實現自控施工過程的延時控制。

（2）被控對象由鉆機伸縮油缸、支撐柱油缸、液壓馬達和排渣水組成。鉆機進給油缸通常為雙作用液壓缸，利用活塞兩側不同的壓強可實現鉆機打孔的進給及后退。支撐柱是機載錨桿鉆機特有的組成部件，用于固定鉆機與煤壁的相對位置，避免打孔過程中的振動導致鉆機主體與煤壁之間產生相對位移。液壓馬達用于提供鉆孔過程中所需的轉矩和轉速。煤礦機載錨桿鉆機一般采用濕式鉆孔，鉆孔過程中需實時通入排渣水，保證煤渣的順利排出，并起到冷卻鉆頭的作用。

（3）執行器由鉆機伸縮油缸、支撐柱油缸和液壓馬達所對應的3個比例閥和1個進水電磁閥組成。比例閥的開度影響液壓缸及液壓馬達的運行速度。比例閥閥芯位移大小由通過線圈的電流大小決定。PLC通過調節流經比例閥線圈的PWM信號占空比，可實現線圈電流的控制，進而實現對液壓缸和液壓馬達的控制。

（4）傳感器由鉆機伸縮油缸、支撐柱油缸和液壓馬達油路上的3個壓力傳感器組成。支撐柱頂到煤壁或鉆機打孔到底時，液壓壓力傳感器的壓強數值會顯著上升，以此作為停止施工的信號。液壓馬達在鉆機打孔過程中，若旋轉方向的壓強異常升高，說明鉆機自身或被鉆圍巖狀態異常，應立即停止施工排查故障。

2 硬件系統選型設計

控制器及配套I/O模塊應圍繞執行器和傳感器進行選型。本文設計的控制系統適用于各種品牌的工業PLC，如三菱、西門子以及歐姆龍等。常見的PLC均有配套的開關量及模擬量的輸入輸出擴展模塊。本系統中包含的進水電磁閥需要配置1路開關量輸出，3個壓力傳感器需要配置3路模擬量輸入。對于3個比例閥的輸出信號，有2種常見的輸出配置：一是PLC通過擴展模塊直接輸出電流型PWM信號，通過控制脈沖電流占空比實現比例閥開度的控制；二是PLC輸出模擬量控制比例閥配套的放大板，進而實現對比例閥開度的控制。

執行器中的比例閥選型主要取決于液壓系統的壓強及流量。比例閥在滿足液壓系統使用的基礎上，應選取較高的靜態性能指標和動態性能指標，如滯環小、線性度高以及響應快速等。進水電磁閥的選型主要考慮水壓和通徑。

壓力傳感器的選型主要取決于被測液壓管路的壓強和測量精度。當壓力傳感器線路周邊有高頻磁場干擾時，應選取帶屏蔽功能的傳感器線纜。

在煤礦井下使用的執行器或傳感器應選擇具有煤礦安全標志證書的隔爆或本安型產品。

3 軟件系統程序設計

控制系統的程序流程圖，如圖2所示。系統首先進行初始化，將PLC各個輸出及內部變量復位，啟動壓力傳感器的實時數據采集，并將模擬量信號轉換為壓強值。初始化完畢后，鉆機支撐柱前進。當支撐柱油缸進給壓強超過給定閾值后，支撐柱停止，開啟進水電磁閥，液壓馬達開始旋轉。鉆機油缸在進給的過程中，實時判斷液壓馬達的旋轉打孔壓強。當馬達旋轉方向的壓強過高時，則認定施工狀態異常，停止鉆機作業。當鉆機進給油缸壓強超過閾值時，則判定鉆機行程結束或接觸煤壁，鉆機完成打孔。鉆孔完成后應停止鉆機進給、馬達旋轉和進水。最后，鉆機和支撐柱同時回退，完成鉆孔施工。

在系統控制過程中，PLC對執行器的輸出信號根據具體使用場景而定。既可以是定值輸出，液壓缸或液壓馬達以恒定速度運行，也可以根據壓力傳感器的數據，實時調整電磁閥開度大小，使得液壓缸或液壓馬達的壓強保持恒定，不受負載變化的影響。

控制系統自動運行的主要判據是液壓缸或液壓馬達的實時壓強值大小。壓強閾值一般是定值。當被鉆圍巖結構變化較大或液壓系統油溫波動較大時，固定的壓強閾值可能導致系統過早停止或無法停止當前階段的運行。

4 煤礦井下試驗

設計的控制系統在煤礦井下進行試驗，并采集鉆孔過程中的壓強數據，如圖3所示。

鉆孔過程中的壓強主要包含兩部分：一部分是一級油缸運動過程中的實時壓強；另一部分是二級油缸運動過程中的實時壓強。鉆孔過程中，一級油缸運行壓強在3.5 MPa左右，壓強波動范圍較小；二級油缸運行壓強在11.0 MPa左右，壓強波動范圍較大。兩級油缸運行壓強及壓強波動范圍差異，主要是由一級油缸和二級油缸的進回油液壓截面積不同導致的。

從壓強曲線圖的最后部分可知，當鉆機打孔行程到底時，鉆機進給壓強在2.6 s內由10.0 MPa增加至17.8 MPa。因此，鉆機進給壓強可以作為鉆機打孔自動停止的判斷依據，而本文設計的煤礦機載錨桿鉆機控制系統可以實現錨桿鉆機的自動化運行。

5 結語

本文設計了一種煤礦機載錨桿鉆機控制系統，特點是僅使用液壓壓力傳感器作為系統唯一傳感器，簡化了硬件系統設計，同時闡述了系統硬件選型設計和軟件程序設計，通過煤礦井下試驗證明了系統自動化運行的可行性。但是，提到的液壓缸恒壓控制在實際試驗過程中難度較大，傳統PID控制效果有限，需進一步研究控制算法。此外，壓強閾值易受液壓系統油溫及圍巖結構的影響，因此壓強閾值的實時自適應控制仍有待研究。