高效快速掘进系统的协同控制.pdf

第 4 3 卷 第 4期 2 0 1 7年 4月 工矿 自 动 化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i o n VJ L 4 3 NO ． 4 A ． 2 0 1 7 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 4 0 0 8 6 0 3 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 4 ． 0 2 0 呼守信． 高效快速掘进系统的协同控制口] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 7 ， 4 3 4 8 6 8 8 ． 高效快速掘进系统的协同控制 呼 守 信 中国煤 炭科工 集 团太 原研 究 院有 限公 司 ，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘 要 高效 快速掘 进 系统 的协 同控 制 需要 以工作 面采 掘 、 支护 、 运输 工 艺为基础 ， 实现采 掘 、 破 碎 、 支护 等 多个移 动设 备之 间协 同行 走和 运输 系统 联动控 制 。针 对 上 述 需求 ， 将 高效 快速 掘 进 系统 中各 设 备 的 电控 系 统 通过 无线 通信 装置 进行数 据 双 向交互 ， 实现 了运输 系统 联动控 制 、 可弯 曲带式 输送机 和 迈步 式 自移机尾 的 联 动控 制 、 掘 锚机 与破 碎机 的协 同作 业 ， 达 到 了各 设备 协调 、 连 续 、 高效 、 安全 运行 的 目的 。 关键 词 煤炭 开 采 ；高效快速 掘进 ； 协 同控 制 ；无线 通信 ； 联 动 中图分类 号 T D4 2 l ／ 6 3 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 O 1 7 0 3 2 8 1 7 3 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 0 1 7 0 3 2 8 ． 1 7 3 8 ． 0 2 0 ． h t ml Co o pe r a t i v e c o n t r ol o f h i g h e f f i c i e n t a n d r a p i d e x c a v a t i o n s y s t e m HU Sho uxi n CCTEG Ta i yu a n Re s e a r c h I ns t i t u t e，Ta i yu a n 03 0 0 06，Chi na Ab s t r a c t Coo p e r a t i v e c o n t r ol of hi g h e f f i c i e nt a nd r a p i d e xc a v a t i o n s y s t e m n e e d t o r e a l i z e c o o pe r at i v e wa l ki n g a mon g d i gg i n g e q ui p m e nt ， c r us hi ng e q ui p m e nt a n d s u pp or t e q ui p m e nt a n d l i nka ge c on t r ol o f t r a ns p o r t a t i o n s ys t e m o n t he b a s i s of t e c h no l o gi e s o f di g gi ng，s u pp or t a n d t r a n s p or t a t i o n i n wo r ki n g f a c e． A c c o r d i n g t o c o o pe r a t i v e c o nt r o l r e qu i r e me nt o f hi g h e f f i c i e nt a n d r a pi d e xc a v a t i o n s y s t e m ， e l e c t r o ni c c o nt r o l s ys t e m of e a c h e q ui pme nt i n t he s ys t e m t r a ns m i t s da t a t hr ou gh wi r e l e s s c o mm un i c a t i o n de vi c e，s o as t o r e a l i z e l i nka ge c o nt r o l of t r a ns po r t a t i on s ys t e m ，l i nk a ge c o nt r o l be t we e n f l e x i bl e b e l t c on ve yo r a nd wa l ki n g t yp e s e l f a dv a nc i n g c o nv e y or t a i l a nd c o o pe r a t i ve op e r a t i on be t we e n di g gi n g b ol t i n g ma c hi ne a nd c r us he r ，a n d a c h i e v e c oo r di n a t e d，c o nt i n uou s ，hi g h e f f i c i e nt a n d s a f e op e r a t i on o f e a c h e q ui p m e nt ． Ke y wo r d s c o a l mi ni n g；hi gh e f f i c i e nt a nd r a p i d e x c a v a t i o n； c o o pe r a t i v e c on t r ol ； wi r e l e s s c o m m u ni c a t i on；l i nk a ge 0 引言 掘 进 工作 面是 现代 化 煤 矿 生 产 的 主要 环 节 ， 也 是 煤矿 井下 环境 最恶 劣 、 工作最 复 杂 的系统 之一 ， 巷 道 快速 掘进 技术 是支 持高 产高 效矿 井发 展 的重要 组 成 部分 。高效快 速 掘进 系统 是 用 于 巷 道 快 速 掘 进 的成 套装 备 ， 由掘锚 机 、 破碎 机 、 十臂 锚杆 机 、 迈 步 式 自移 机尾 、 可 弯 曲带 式 输送机 组 成 ， 其 协 同控制 需 要 以工作 面采 掘 、 支 护 、 运 输 工艺 为基础 ， 实 现采 掘 、 破 碎 、 支护 等多 个移 动 设 备 之 间 协 同 行走 和运 输 系 统 联 动控制 。本 文 在研 究 高 效 快 速 掘 进 系 统 中 各 单 机设 备 自动化 基 础 上 ， 采 用 无 线 通信 装 置 设计 高效 快速 掘进 系统协 同控制方 案 ， 达 到各设 备协 调 、 连续 、 高效 、 安 全运行 的 目的 。 收稿 日期 2 0 1 6 l 2 0 5 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 3 一 l 1 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 中国煤炭科 r 集团有限公司科技创新基金项 目 2 0 1 3 Z B 0 0 1 。 作者简介 呼守信 1 9 7 8 一 ， 男 ， 山西平遥人 ， 副研究员 ， 硕士 ， 现主要从事煤矿井下电气 产品的设计 和研发 r 作 ， Ema i l z x b h s x l 6 3 ． C O I I1 2 0 1 7年 第 4期 呼 守信 高效 快速掘 进 系统 的协 同控 制 8 7 1快速 掘进 设备 电控 系统 高效 快速 掘进 系统 中各设 备 的 电控 系统 主要 由 电气控制箱、 数据采集器、 电磁阀控制箱、 无线通信 装 置 、 显 示箱 等组成 ， 如 图 1 所 示 。 电气控制箱 图 1快 速 掘 进 设 备 电控 系 统 组 成 各快速掘进设备的电控系统实现对设备上多个 电动机 的复合 逻辑 控 制 和保 护 、 电磁 阀控 制 和 比例 调节 、 传感器数据采集、 遥控控制、 图形显示、 无线数 据通信等功能 。各设备电控系统通过无线通信装 置进行数据双向交互 ， 实现高效快速掘进系统的协 同控 制 。 2无线 通信装 置 无线通信装置用于传输煤矿井下高效快速掘进 系统 中各设备控制信号。无线通信装置通信技术参 数见 表 1 。 表 1 无线通信装置通信技术参数 名称 技术参数 频率／ MHz 带宽／ k Hz 功率／ W 通信距离／ k m 波特率／ b i t s 4 3 0 遥控 信号 ， 1 7 0 联动信号 2 5 0 1 1 空 旷 3 8 40 0 无线通信装置的数据格式为 1 b i t 起始位 、 8 b i t 数据位、 1 b i t 停止位和偶校验位。无线通信装置通 过 R S 4 8 5接 口写入 Mo d b u s 地 址 ， Mo d b u s 报 文 格 式 命令地址高位地址低位 长度装置设定 地址 C R C高位 C R C低位 l[ 6 ] 。 高效快速掘进系统控制网络中有 4 个无线通信 装置 ， 分别为 1个网管站和 3个数据站 。网管站负 责令牌传递管理， 获得令牌的站点可 向网内其他所 有站点发送本站 的节点数据[ 7 ] 。每个站点均保存接 收 到 的网 内站 点 的控 制 数据 ， 并按 照站 点 地 址从 小 到大的顺序存储[ 8 ] 。无线通信装置接收遥控发射器 的命令信号供电气控制箱读 出， 同时接收 电气控制 箱写入的遥控反馈数据 ， 并发送给遥控发射器 。 无线 通 信 装 置 通 过 R S 4 8 5总 线 按 照 Mo d b u s 协议和各设备电气控制箱相连， 该连接 中无线通信 装置 作 为从机 ， 各 设 备 电气 控 制 箱 作 为 主 机 。各 设 备电气控制箱可向无线通信装置写入控制数据和遥 控反 馈数 据 ， 也 可读 出任 何 网内站 点 的控 制数 据 。 3快 速 掘进设 备协 同控 制 在高 效快 速掘 进系 统 中 ， 掘锚 机为 连续 行走 ， 破 碎机 、 可 弯 曲带 式 输 送 机 为 间歇 行 走 。在 不 同工 况 下 ， 各设备的行走一致性功能要求不同， 电控系统可 根据具体要求实现超 限处理、 区间警报 、 控制调整和 区 间停车 等多 种控制 方式 。 3 ． 1运 输 系统 联 动 控 制 煤矿 井下 快速 掘进设 备运 输 系统 由掘锚 机刮板 输送机、 破碎机刮板输送机 、 迈步式 自移机尾 、 可弯 曲带式输送机组成 ， 其联动控制功能 1 重 载启动 。可 弯 曲带 式 输送 机 采 用头 尾 变 频驱 动方 式 ， 充 分 利用 变 频 电动 机 软启 动时 启 动 转 矩大 、 带 负载能 力 强 、 机 械 冲击 强 度 小 的 特 点 ， 实 现 输送 机重 载启 动 。 2 逆 煤 流 启 动 。 当运 输 系 统 启 动 指 令 发 出 后 ， 按 照迈 步式 自移 机 尾一 可 弯 曲带 式 输 送 机一 破 碎机 刮板 输送 机一 掘锚机 刮板 输送 机 的顺 序 启动 运 输系 统 。 3 顺 煤 流 停 止 。 当运 输 系 统 停 止 指 令 发 出 后 ， 按 照掘 锚机 刮板 输 送 机一 破碎 机 刮 板 输 送 机一 可弯曲带式输送机一迈步式 自移机尾的顺序停止运 输 系统 。 4 联 锁控 制 。当 掘锚 机 刮板 输 送 机 、 破 碎 机 刮板输 送机 、 迈 步式 自移机 尾 、 可弯 曲带式 输送 机 中 任 何 一 个 运 输 设 备 发 生 故 障 时 ， 整 个 运 输 系 统 停 机 _ 9 ] 。 3 ． 2 可 弯 曲 带 式 输 送 机 和 迈 步 式 自移机 尾 联 动 控 制 可弯 曲带式 输送机 和迈 步式 自移 机尾 在联 动模 式下 ， 迈步 式 自移机 尾 电气 控 制箱 通 过 无 线 通信 装 置接收行走信号后 ， 驱动迈步式 自移机尾前进。迈 步式 自移机尾确认可以行走后 ， 通过无线通信装置 向可弯曲带式输送机无线通信装置发送行走信号 ， 可弯曲带式输送机电气控制箱接收到无线通信信号 8 8 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 后 ， 驱动可弯曲带式输送机后退 ， 其后退力与迈步式 自移机 尾牵 引力 达到 平衡 。 3 ． 3掘锚 机 与破碎 机协 同作 业 通 过 电控 系统 采 集 和分 析 掘 锚 机截 割 功 率 、 掘 进速度和破碎机状态等数据， 使掘进速度 与掘锚机 截 割功 率 、 破 碎 机 工 作 能 力 达 到 自动 优 化 匹 配 ， 如 图 2所示 。在 掘 进速度 与 掘锚机 截 割功 率 匹配 的 基础 上 ， 若 破碎 机 工作 能 力 小 于 掘 锚 机 的 运输 能 力 且未 达 到 自身额 定 工作 能 力 ， 掘锚 机 电控 系 统 发 出 控制信 号 ， 破 碎 机提 高 工作 速 度 ， 以提 高掘 进效 率 “ 。若 破碎 机 工 作 能 力 小 于 掘 锚 机 的运 输 能 力 且达到或超过 自身额定工作能力 ， 掘锚机 自动降低 掘 进速 度 ， 使 掘进 速 度 与 破 碎 机 工作 能 力 达 到 最 佳 匹配 ， 达 到保 护破 碎机 的 目的__ 1 。掘 锚机 和 破 碎 机 启停 控 制 破 碎机 启 动后掘 锚机 才能 开始 掘进 工作 ； 掘锚机 开 始掘进 后 破 碎 机 才 能行 走 ； 破 碎 机 开始 倒 退后 掘锚 机才 能开 始 倒 退 ， 并 且 破 碎 机 与掘 锚 机 距 离 不 能小 于设定 值 ； 若掘 锚机 停止 工作 ， 破碎 机 需工 作一定 时 间后 自动 停 止 工 作 ， 避 免 破 碎 机下 次带 载 启动 ， 达 到节 能 的 目的 。 罔 2掘锚机与破碎机协同作业流程 4 结语 高效 快 速掘进 系 统 中各 移 动设备 的行 走 动作 主 要依 靠操 作 人员遥 控 实 现 ， 然 而在 各 设 备 控 制 信 息 共 享 的基础 上 ， 高 效 快 速 掘进 系统 中各 设 备 之 问 的 基 本运 动关 系 已能 够 由各 设 备 电控 系统 通过 联 动 、 联 锁等 控制 手段 实现 。其 中运输 系 统联动 控制 提 高 了高效 快速 掘进 系 统 运行 效 率 和 可 靠 性 ， 减 少 r设 备空转 时 间 ， 最 大 限度降 低 了能耗 ； 可弯 曲带 式输 送 机和迈 步 式 自移机 尾 的联 动控 制实 现 了迈步 式 自移 机尾 与可 弯 曲带 式 输 送机 的行 走 匹 配 ； 掘 锚 机 与 破 碎机 的协 同作业 实 现 了掘进 速度 、 截 割 功 率 和 破 碎 能力 的 自动优 化 匹配 。 参考文献 [1] 赵学社． 煤矿高效掘进技术现状 与发展趋 势E J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 0 7， 3 5 4 l 1 O ． [ 2] 王永军 ， 刘混举． 神东 矿 区快 速掘进技 术装 备开发 与 应用E J ] ． 机械 工程与 自动 化 ， 2 0 1 6 4 1 0 1 1 0 3 ． [ 3] 张 忠国． 煤 巷快速 掘进 系 统 的发展趋 势 与关 键技 术 E J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 6 ， 4 4 1 5 5 6 0 ． [ 4] 汪腾蛟． 新型 高效单巷快速 掘进 系统 应川及改进技 术 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 4 ， 4 2 5 1 2 1 1 2 4 ． [5 ] 工震宁． 基 于 P L C煤矿 掘进 机 电控 系统 一 『 靠 性研 究 E J ] ． 中国科技纵横 ， 2 0 1 3 1 0 1 6 9 ． [6 ] 李达． 基 于 Mo d b u s 协议 的 R S 4 8 5无线布线 系统的设 汁与实现[ D ] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 9 ． [7 ] 庄致 ， 郭胜． 基于 R S 4 8 5总线 的 串口令 牌环 通信 的研 究 E J 3 ． 微计算机信息 ， 2 0 0 7 ， 2 3 1 0 2 2 5 2 2 7 ． [ 8] 杨伟 ， 江善和． 基 于 R S 4 8 5的工业应急广 播对讲 系统 通信 网络设计 E J ] ． 安 庆师范学 院学报 自然科 学版 ， 20l 3， 1 9 1 8l - 84 ． L 9] 赵静 ， 王建 英． 煤 矿 斜 巷运 输 安全 自动 化 控 制 系统 E J 3 ． 科技信息 ， 2 0 1 0 ， 2 1 7 2 5 9 ． E l o ] 王虹． 我 国煤 矿 巷道 掘进 技术 和装 备 的现状 和 发展 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 O l O ， 3 8 1 5 7 6 2 ． [ 1 l1 ] 王慧 ， 李娜娜 ， 谢飞． 掘进机 恒功率 自适应调速 与记忆 截割系统研究E J ] ． 测控技 术， 2 O 1 5 ， 3 4 8 8 6 8 8 ． E 1 2 ] 沈伟 ， 李 明， 张广建 ， 等． MB 6 7 0掘锚 一体机煤 巷快 速 掘进技术E J ] ． 能源技术 与管理 ， 2 0 1 1 3 6 7 6 9 ．