智能化掘進機技術研究及應用分析

常德志

（鄂爾多斯市轉龍灣煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

隨著煤礦開采的深入進行，其開采困難和危險系數逐步增加，越來越受到突水、瓦斯、埋深等因素的制約。在開采煤礦時，掘進工作面受到更大的威脅，掘進工作面工人長時間處在高濃度粉塵、高濕度和溫度條件的影響，其身體健康較易受到威脅。掘進工作面都是獨頭進行施工，巷道突水、頂板冒落、瓦斯爆炸等嚴重威脅煤礦工人的生命安全。根據我國煤礦巷道掘進的特色，務必實現掘進技術和裝備的創新，提升快捷化、智能化、并行化、成套化、柔性化水平，保障其穩定性和適應性。當今，絕大部分掘進巷道都在施工中應用分離作業的形式，在沒有大面積推廣成套的掘進、輸送、支護設備之前，智能化掘進機技術的分析對工人勞動負荷的減輕、掘進工作面作業能力的提升有著非常重大的現實作用。

1 智能化掘進機技術的作用

1.1 可以遠程監控掘進機及其設備的運行情況

結合遠程監控系統，可以實時呈現設備運行的一系列參數信息、后配套出料和星輪收料狀態、整機和截割頭部位、監控工作面情況等，其可以呈現非常豐富的內容，方便維護與檢修。并且，嵌入式數據庫儲存技術的應用可以儲存與分析一系列數據信息，以及生成曲線，這非常方便查詢數據和記錄歷史故障，如果設備存在故障問題，那么能夠實時判斷故障代碼以及實施處理對策。

1.2 可以自動控制遠程截割過程

結合掘進機油缸傳感器以及電控系統可以對截割臂的工作參數進行采集，以及對一系列動作油缸的工作行程進行記錄，讓通過數據交換箱向工控機輸送，在對截割軌跡圖進行繪制，結合遠程視頻監控分站讓操作者熟悉現場情況。此外，其還有記憶巷道斷面截割軌跡的作用，從而可以自動控制遠程截割過程。

1.3 可以在線監測截割軌跡

結合掘進機慣性導航系統以及在線實時監控掘進機的截割軌跡，截割路線能夠與激光定位儀協調配合運行。結合對掘進機位姿參數的調整，可以根據設計的結構線路進行截割，確保一次成型的工作面質量提升，以及很好地防范截割面的超挖以及欠挖情況，因此具備良好的巷道成型特點，并且大大提升了截割效率。相反，如果僅僅以人工方式進行截割，因為受到操作者能力以及視線因素的影響，操作者難以對截割量進行有效控制。

2 智能化掘進機控制系統和智能化掘進機技術的設計要求

國內煤礦智能化掘進技術的應用和發展存在以下不足：（1）掘進工程具備復雜的開展條件。掘進工作質量的主要影響因素是掘進環境，國內煤層賦存具備非常復雜的狀況，因此掘進工作環境的特點是機械化生產困難、圍巖控制難度大、安全系數低等。地質狀況的復雜化導致智能化掘進的風險性和不確定性增加，設備難以實現自適應控制。（2）復雜的施工流程不利于掘進效率的提升。以智能化掘進視角而言，固有的煤礦巷道掘進具備太多的流程，很多串行工作流程不但使大部分成巷時間和用工數量占據，而且減慢了施工進度，從而不利于智能化掘進技術的順利應用。

2.1 智能化掘進機控制系統的設計要求

結合煤礦生產工作流程以及地質狀況，智能化掘進機分析系統的設計務必達到智能化標準，可以顯示數據以及進行智能化控制，進而可以監測與記錄煤礦生產工作面的流程以及具體運行數據信息，首先應分析掘進機截割的過程，然后建構作業單位參數和斷面數據尺寸間的數字化模型，以及對截切頭坐標、液壓缸部位、懸臂運行轉角部位的相關性進行計算。控制軟件有效體現截割范圍，且將有關視頻和數據信息（運行以及截切信息等）傳輸給監測系統，這樣能夠實時監測掘進機，進而實現截切自動化成型的標準。根據地質條件狀況在設備中應用智能化技術能夠實現時間和人力的節省。為了確保系統到達適宜的軌道，能夠以可視化智能監測系統將設備運行的時間縮短，以使能耗減少。在進行對比后，我們可以應用變頻技術和防爆三相電機技術，結合單片機AVP對截切的整個流程進行控制，且結合程序VB6.0呈現在界面。

2.2 智能化掘進機技術的設計要求

掘進機控制系統的主要組成部分是PLC、顯示部分、回路保護部分、電機等。此系統應用交流供電電壓，可以實現電機正反轉和啟停運行，能夠對電機進行很好的保護。掘進機在生產操作（運行、轉載、截割等）過程中都少不了電機的支持，此電機能夠真正實現工作需要。通常能夠劃分掘進機操作為三個階段：一是準備階段，即清楚場地不相關的人員。二是啟動階段，即啟動電機后，油泵恒定電壓發出預警，從而進行自動切割，這時磁閥被啟動。三是低速啟動以及高速切割階段，掘進機控制軟件系統的功能是檢測漏電以及實現保護，其中，檢測漏電功能即檢測電機截割和油泵的漏電信息，如果形成漏電，那么報警會引發，而實現保護的功能即避免一系列電機存儲超載、超溫、過流的現象。急停按鈕設計在此系統上，保障出現意外的情況下，能夠迅速暫停運行，實現設備保護目標。

3 智能化掘進機技術的設計

3.1 PLC控制系統的設計

（1）硬件系統設計。掘進機控制系統的硬件組成部分是開關、按鈕、報警使用的光和聲音報警、一系列功能的信號燈等，因為控制器（西門子CPU226）可以拓展一系列功能，非常方便和靈活，可以實現智能化掘進控制的要求。因此，控制器的控制核心應用西門子PLCS7-200的CPU226。并且，拓展了CPU226的功能，即設置了模擬和數字模塊，各自是西門子Em222與Em231。西門子S7-200連接HMI觸摸屏和上位機電腦，進而使人機交互的理想應用效果實現，其不但使操作者的操作困難減小，而且HMI觸摸屏可以對掘進機的運行動態進行具體和直觀的反饋，可以進行尤為直觀的控制。系統安全監控可以判斷場地采集的數據信息，在發生危險或故障的情況下，實時將報警發出，操作者能夠結合報警采集的信息對故障性質和位置做出準確的判斷，從而方便維修工作者實時維修故障，最終實現掘進機運行效率的顯著提升。

（2）程序控制設計。對于PLC程序控制的設計而言，其實際上是智能化改裝掘進機，其工作流程是：先是做好掘進機運行前的準備，即檢查有關元件和進行系統自檢，明確故障問題是否存在，如果故障存在于系統元件上，那么故障報警會被系統發出，以警示相關操作者解決故障問題。在自檢都正常的條件下，控制人員對掘進機進行啟動，這種情況下掘進機開始準備運行。如果油泵電機被啟動，那么掘進機開展液壓油升壓的工作，在系統具備穩定液壓之后才可以開展接下來的工作，掘進機在5s后進行低速切割，然后再經過5s后進行高速切割。

（3）安全性以及抗干擾設計。因為掘進機具備十分復雜的施工環境條件，提升掘進機的安全和抗干擾設計十分關鍵。在掘進機控制系統中，掘進機電控柜中安裝了電器元件、PLC、開關、顯示器等，因此，電控柜的設計不但應實現尺寸標準，而且應具備安全的結構，以及務必具備相應的防爆和隔爆性能。此外，電控柜的設計應確保開門的情況下電路斷電的安全性，在進行設計時需要安裝開門傳感器，即在開門前因為其他因素而未曾將控制柜電源斷開的情況下，當控制柜門關閉的情況下可以自動跟電源接通、在控制規模打開的情況下自動和電源斷開，這樣可以確保操作者的人身安全。與此同時，需要將防震裝備設計在控制柜上，保障系統不會由于振動而導致誤操作。為了保障掘進機的工時不受到影響，不但要進行防震隔爆的電控柜設計，而且應確保選擇的PLC程序控制器具備相應的抗電磁效果，具體來講，其需要做到：PLC程序控制器設計的供電電源務必是獨立的；PLC程序控制器的信號傳輸線路不可與動力電源線路共同排列，避免信號參數受到交流頻率的制約；務必在金屬控制柜中安裝PLC硬件控制設施，如此能夠對控制柜之外的電磁信號進行有效屏蔽。

3.2 控制系統的維護

（1）電纜和元件維護。在煤礦復雜多變的環境條件下，掘進機控制系統的電纜、電線、設施、元件等較易被破壞或老化變形，因此務必注重控制系統的維護和保養。具體來講，應做到下面幾點：一是對掘進機電氣控制單元進行檢查，先是對控制系統的接線、主接觸器、熔斷器等是否正常運行進行檢查，以及對報警器、控制系統的一系列功能等是否正常運行進行檢查，最后對控制系統的緊急暫停開關是否正常運行進行檢查。二是對電纜的狀態進行檢查，可以測試電纜，判斷電纜技術標準是否符合實際工作需要，判斷滴水或漏水的情況是否存在于電纜工作場地，以及檢查電纜防護鎧甲是否可以承受相應的沖擊、電纜是否因為跟油類接觸而老化、電纜外防護是否長期運行被損壞。

（2）電機維護。掘進機可以順利運行的基礎在于掘進機設備的電機，因此，應定期維護和保養掘進機控制系統的電機。具體來講，如下所述：一是對電機運行溫度和電壓值是否在要求的數值范圍內進行定期檢查；二是對電機的絕緣性能和連接電機設備的穩定性進行定期檢查，并且定期潤滑主軸軸承。

4 應用效果分析

4.1 實現了理想的經濟效益

（1）實現了單進能力的提升和掘進工期的縮短。智能化掘進機技術在礦井的應用，不但提升了單進水平，而且使工作面準備工期縮短，贏得了治理工作面災害的珍貴時間，以及實現了工作面回采工作災害抵抗能力的顯著提升。在縮短掘進工期的基礎上，可以確保工作面事先步入采掘接替單元，從而使接替緊張的局面得以很好地緩解，最終確保年度生產任務的有序和安全進行。

（2）實現了勞動效率的提升。在應用智能化掘進機技術后，勞動效率大大提升，讓礦井在完成相同生產任務的情況下顯著減少了人力成本支出，從而有助于煤礦經濟效益的增加。

4.2 實現了理想的社會效益

在建設智能化掘進工作面后，礦井與社會發展的趨勢和方向相適應，在當今嚴峻的發展形勢下，職工心中的民心工程被成功打造，煤礦工人的工作負荷減輕、幸福滿意度提升，這奠定了建設無人化、自動化、智能化掘進工作面的良好基礎，完善了發展的缺陷，有助于煤礦智能化掘進技術的升級和轉型發展。

4.3 實現了理想的安全效益

在風門外的新鮮空氣中設置遠程遙控操作硐室，人員可以遠程對設備進行操控，以使截割的自主化目標實現，生產者勿需接觸工作面產塵，這非常有利于煤礦工人的身體健康。建設智能化掘進工作面支護可以使“智能化減人、自動化少人、機械化換人”的目標實現，操作者結合集控中心的操作能夠使無人或少人的工作目的實現，確保了員工的健康和安全，能夠很好地防范煤礦瓦斯隱患導致的人身傷害事故，從而真正滲透了以人為核心的安全發展觀。

5 結語

綜上所述，通過對智能化掘進裝備技術的研究，有效促進了煤礦生產，提高了作業效率，創造的效益非常可觀。煤礦智能化掘進工作面裝備技術的智能化、集成化、系統化、無人化是自動化技術發展的必然趨勢，對于煤炭行業的機電人員都具有學習、借鑒和應用的作用。