煤矿掘进机自动化截割煤巷控制技术探析.pdf

收稿日期2019－10－31 煤矿掘进机自动化截割煤巷控制技术探析 曲广财，尤红涛 （同煤集团永煤公司， 山西大同037000） 摘要采用人工操作掘进机方式来截割煤巷，存在巷道成形效果差、掘进效率低、操作人员劳动强度大等弊端。为解决这些弊端，基于EBZ200型 悬臂式掘进机主要结构参数，借助现代化的PLC控制技术，提出了一种掘进机截割煤巷自动化控制技术。介绍了具体控制策略，分析了主要用到 的自动控制元器件，指出了自动控制功能的具体实现方法。经实际应用验证，该掘进机在自动化控制下截割煤巷所形成的巷道不仅成形较好，而 且成巷速度较快，安全性较高，有助于进一步提高巷道掘进效率。 关键词掘进机；自动化控制；元器件；策略；传感器 中图分类号TD421文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0115－03 Analysis on the Control Technology of Automatic Cutting Coal Roadway in Coal Mine Tunneling Machine QU Guangcai，YOU Hongtao （Yongmei Coal Company, Tongmei Group, Datong, Shanxi 037000, China） AbstractThe manual operation of roadheader to cut coal roadway has the disadvantages of poor roadway ing effect, low tunneling efficiency and high labor intensity. To solve these drawbacks, based on the main structural parameters of EBZ200 cantilever roadheader and modern PLC control technology, a kind of automatic control technology for the cutting coal roadway of the roadheader was proposed, and the specific control strategy was introduced. The main automatic control components were analyzed and the specific implementation of the automatic control function was pointed out. The actual application shows that the roadway ed by the tunnel cutting machine under the automatic control is well ed, the lane speed is faster and the safety is higher, which can improves the tunneling efficiency. Key wordsroadheader; automation control; components; strategy; sensor DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 041 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 曲广财，尤红涛. 煤矿掘进机自动化截割煤巷控制技术探析［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 115-117. 0 引言 随着科技的飞速发展，掘进机截割巷道所进行的生产工 作已实现了自动化控制，掘进作业面达到了无人值守的目 标，保证了巷道断面的截割质量，提升了截割臂摆动速度调 整的精准度。因此，本文以某矿井掘进生产条件及掘进机的 各个参数为基础，利用PLC自动控制器来进行自动化控制技 术的探析[1]。 1 掘进机的结构参数 针对EBZ200型悬臂式掘进机，这种类型的掘进机大多适 用于半煤或全煤的岩层中，可以将单向抗力为95 MPa的岩石 进行截割，形成一种断面巷道，该巷道的宽度及高度分别为 2.5～6.0 m和2.0～5.0 m，在所有截割的巷道断面中，其最大 面积为3 024 m2，巷道的坡度为20。这种类型的掘进机主要 有3个结构，分别为装运部、行走部及截割部，而构成系统也 有3种，分别为进排水、液压及供电，其中主要依靠液压部件 及机械设备来实现掘进机的功能。由于运用了控制器、液压 等部件，该型号的掘进机可以将柔性曲线与硬性截割相互结 合，促使掘进的效率及巷道的质量得到极大提升[2]。该掘进机 的结构如图1所示，其关键技术的参数如表1所示。 2 截割自动化控制策略 掘进机截割自动控制技术是基于人工控制掘进机的数据 信息，并通过实际调查研究，工作人员大多依靠激光指向仪 图1矿用掘进机机构示意图 项目 质量 /t 尺寸 长宽高 / mmmmmm 装机功率 /kW 掘进功率 /kW 液压泵功率 /kW 截割头转速 / r min -1 截割头伸长量 /mm 掘进最高量 /mm 掘进最宽量 /mm 最大破岩强度 /MPa 最大行走速度 / m s -1 参数 60 10 5002 7501 800 315 200 120 46/23 680 5 500 6 800 80 10 表1EBZ200型掘进机主要技术参数 115 来判断掘进的位置，通过控制操作台的手柄来完成电流比阀 的控制，从而实现摆角的调整与控制，此时液压缸的流量处 于合理的位置，推动活塞杆的运行，从而对截割部分在水平 及垂直方向的运行进行调整，对截割的速率进行调节。工作 人员通过对截割部位进行明确，借助自身累积的经验来控制 手柄[3]。但是因井下作业的环境及条件较为恶劣，工作人员视 线极易受到杂物的影响，导致工作人员无法准确地把握控 制，截割断面不具备平整性，与设计值存在较大的误差，截 割头产生了严重的摆动问题，为了优化截割作业的效果，可 以运用自动控制技术来实现掘进机的控制。PLC具有较高的 分析能力，通过对传感器收集的数据信息进行处理来发送控 制指令，与激光定位系统相结合来控制电气体系、机械设备 及液压系统的动作[4]。图2所示为自动化控制技术的工作原理。 为了使截割巷道得到 有效控制，自动控制系统 可以采用分阶段的方法来 调整截割臂的摆动速度， 如图 3 所示。慢启慢停的 主要作用是促使巷道断面 可以很好地成形，延长电 机的使用时间，避免截割头因骤启或骤停而出现振动损伤； 对截割臂的运行速度进行分阶段调整主要是保证液压系统的 供液、截割过程中完成无极调速、维持电机的恒定运行[5]。 3 自动控制元器件选择 掘进机所采用的自动控制系统中主要包含了模块、电 源、转换器等多个硬件元件。 3.1 传感器 为了提升定位的精准度，确保截割臂的运行轨迹达到设 计数值，因此选择了一种磁敏电阻型的传感器，即重力摆式 倾角检测传感器，这种传感器可以对倾角进行无接触地触点 检测，对截割臂在垂直方向的摆角及自身所处的角度进行实 时监测。采用SMR磁敏感传感器来检测截割臂在水平方向的 摆角，该传感器具有与编码器相一致的功能，可以与感应齿 相结合而发挥作用。采取行程传感器来检测截割头存在的伸 长量，对位置及精度进行有效的考虑，并将其设置在油缸中。 在自动化控制的过程中，选择恰当的电流检查传感器， 即CHY- 220AS/V，这种传感器所具有的功能是将收集到的电 机电流信息进行转换，使其成为PLC控制器的应用需求。该 传感器所能检测到的电流为0～220 A，供电电压所处的范围 为10～20 V，通过相应的转换，输出电流的信号值维持在 025 mA。 3.2 A/D转换器 为了实现数据信息的转换，可以在PLC控制的扩展部位 安装FX2N-4AD型A/D转换器。这种转换器中共计有4个传输 通道，在进行接收的时候，模拟信号可以被转化成数字信息。 信号分辨率最高可达16位，电压、电流的输出及输入信号的 转换都是在转换器与接线端之间完成的，在转换之后，其电 压值与电流值分别处于-10～10 V和-20～20 mA，PLC控制器 也可以通过传输通道将其下发的指令传输到执行部分[6]。 4 自动控制实现的功能 以人工进行掘进工作为基础，再与试验等相关手段相结 合，运用PLC编程控制器来设计可编程序语音，其中主要包 含了掘进机截割的路径、摇臂的摆动角度等，通过对开关及 启停按钮进行转换来完成截割臂动作及其方向的调整。为了 使巷道断面具备较高的成形质量、使煤壁巷帮具备较好的平 整性，自动控制器应当有效的控制摇臂，以进行扫底工作[7]。 在掘进机工作的时候，可以为摇臂设定高、中、低3种摆动速 度，对于变送器收集到的信号，A/D转换器可以对其进行有效 的转换，之后得到相应的电压信号范围，并将该范围之内的 电压值分为3个层次，使其可以与速度的3个层次相吻合，即 高、中、低3个速度所对应的电压范围分别为0～2 V、2～4 V 和4～5 V，同时在3个比例放大器的影响下分别输出对应的 电流信号，其截割的详细流程如图4所示。 5 工程实践 在某矿井中，EBZ200型悬臂式掘进机自动化控制改造 后在半煤岩中进行了相应的实践。处于PLC自动化控制的背 景下，与设计数值相比，该掘进机的巷道两帮偏差都是 321.6 mm，单边偏差的均值为152.5 mm，这些都要小于人工 控制下的偏差值。机身的初始位置处于巷道的中心线上，不 存在显著的偏差，单边及回转的定位精度分别低于30 mm和 15 mm，可以持续进行截割及扫底工作，自动化截割工作具有 高效性和稳定性，其断面与使用需求相吻合，在进行掘进的 过程中，掘进机始终保持稳定的运行。人工操作的人员数量 至少要8人，处于自动化控制技术的背景下，只有5个人就可 以进行掘进工作。在PLC自动化技术的控制下，掘进速度得 到较大的提升，工作人员的工作量不断降低，巷道断面的品 质及生产的效率得到提升[8]。 图2自动化控制掘进机截割示意图流程 图3自动控制启停以及调速 图4掘进机自动控制截割摇臂摆速流程图 2020年05月机 电 工 程 技 术第49卷第05期 116 （上接第7页） 6 结束语 （1）该控制系统主要是基于以人工控制为基础的掘进机 截割参数，PLC编程控制器则作为核心技术应用于自动化控 制系统中，采用分阶段控制的办法来调整截割臂摆动的速度 及采取慢启慢停加速控制的方法。 （2） 该控制系统所包含的硬件器件主要有电源、控制 板、转化器等，处于PLC控制技术的环境下，对于摇臂截割 的速度，可以运用三阶段电压来进行调整，以完成截割的自 动化控制。 （3）在自动化控制的背景下，EBZ200型悬臂式掘进机所 截割的巷道具有较好的质量，减少了工作人员的工作量，确 保了巷道生产的安全性，提升了巷道的掘进效率。 参考文献 [1] 王焱金,季清华,白雪峰,等.掘进机截割部液压系统分析[J].机 床与液压,20180179-81. 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