煤礦綜掘工作面懸臂式掘進機控制系統(tǒng)的研究與應用

煤礦綜掘工作面懸臂式掘進機控制系統(tǒng)的研究與應用

在我國的煤炭生產(chǎn)中，懸臂式采礦機作為一種廣泛使用的采礦設備發(fā)揮著重要作用。懸掛式采礦機的技術發(fā)展和進步對發(fā)展全身機械化開采、提高開采效率、保障礦山安全生產(chǎn)、減少工人勞動成本等技術的機械運用具有重要意義。雖然我國掘進機已有長足發(fā)展,但是還存在如下問題:(1)長期以來掘進機始終未能解決自身定位和自動定向的問題,掘進時唯一的坐標參考點是激光指向儀打在前方煤壁上的光點,掘進機無法與其建立必然聯(lián)系。(2)掘進機操作自動化水平較低,掘進機司機手動操作并根據(jù)感覺定位和定向,截割斷面超挖和欠挖現(xiàn)象嚴重,截割形狀質量較差。(3)截割臂擺速手動控制期間,擺速低時會導致截割效率低下,擺速大時遇上夾矸會導致截齒和擺動油缸損壞,最終導致截割電機使用壽命降低。(4)掘進機本地控制的自動化控制和智能化控制水平較低,不能實現(xiàn)遠程遙控作業(yè),因而難以實現(xiàn)掘進綜掘工作面的少人化和無人化,特別是掘進高突(瓦斯突出、水突出等)工作面時存在嚴重的安全隱患。(5)掘進面工作環(huán)境惡劣,用工人數(shù)多,勞動強度大,工作效率低,安全隱患多。為此,中國礦業(yè)大學(北京)與中國礦業(yè)大學、石家莊煤礦機械責任有限公司、冀中能源集團有限責任公司聯(lián)合承擔了國家863計劃重點課題“掘進機遠程控制技術及監(jiān)測系統(tǒng)”,目標是以掘進機遠程監(jiān)測和控制的關鍵技術為核心,重點研究煤巖巷道懸臂式掘進裝備可視化遠程監(jiān)控技術,開發(fā)出配裝國產(chǎn)自主研發(fā)的懸臂式掘進機及遠程監(jiān)控系統(tǒng),研制的可視化掘進機遙控裝備能夠滿足煤礦井下掘進作業(yè)和煤礦安全規(guī)程的要求。1遠程可視化控制措施本課題研發(fā)的關鍵技術可以歸納為“三位一體、七大系統(tǒng)”。“三位一體”包括近地點遙控、井下遠程可視化遙控以及地面遠程可視化監(jiān)測?！捌叽笙到y(tǒng)”包括自動截割成形、擺速自適應控制、位姿監(jiān)測、定向掘進、可視化遠程遙控、視頻監(jiān)控以及遠程監(jiān)測診斷,掘進機遠程控制技術及監(jiān)測系統(tǒng)整體組成框圖如圖1所示。1.1斷面自動截割成形該系統(tǒng)是由可編程計算機控制器PCC+工控機面板組成的高性能機載計算機控制系統(tǒng),與高精度油缸內(nèi)置位移傳感器一起組成了掘進機截割頭空間位置高精度自動控制系統(tǒng)。在懸臂式掘進機斷面自動截割成形系統(tǒng)V1.0自編軟件的控制下,通過檢測和控制兩對升降和轉動油缸的伸縮量精確控制截割頭空間位移軌跡,實現(xiàn)了任意斷面形狀的自動截割成形,使掘進機自動截割出規(guī)整斷面,斷面自動截割成形邊界檢測最大誤差<50mm。該系統(tǒng)還設有斷面存儲及截割軌跡實時顯示功能,還可在上述功能基礎上實現(xiàn)基于智能檢測的記憶截割等功能。自動刷幫功能可取代人工修整斷面邊界,更大程度地提高斷面成形質量。該系統(tǒng)的使用消除了掘進機手工操作造成的“超挖”和“欠挖”情況,顯著地提高了掘進效率,減低了工人的勞動強度。1.2截割臂控制設計該系統(tǒng)包括油缸位移傳感器和電流變送器,在掘進機截割臂擺速自適應控制系統(tǒng)V1.0自編軟件的控制下,以掘進機電氣控制設備的電流過載保護標準為依據(jù),通過檢測截割臂驅動油缸伸縮長度及其伸縮變化率、截割電機電流值及其電流變化率等多種參數(shù),對自動截割過程中遇到的不同工況進行邏輯識別,自適應控制截割臂擺速及方向。該系統(tǒng)包括滿速功能、基于PID技術的擺速自適應控制功能、預防悶車功能和車體減振防擺功能?？刂平馗铍娏鳌?.2倍額定電流,PID控制反應時間小于0.4s且具有一定的抗干擾能力。另外,本系統(tǒng)可以實現(xiàn)液壓功率與截割功率匹配的截割臂無級調速系統(tǒng),可多參數(shù)判斷和處理悶車及遇到硬質點的情況。1.3自動位姿檢測該系統(tǒng)研究提出了掘進機機身位姿參數(shù)檢測原理及方法,實現(xiàn)了機身5個位姿參數(shù)(水平偏角、水平偏距、俯仰角、橫滾角、車前距)的絕對法自動檢測和顯示。由自主研發(fā)的1臺礦用隔爆型扇形激光發(fā)射儀(如圖2)與2臺礦用本安型掘進機機身位姿檢測儀(如圖3)測量出機身水平偏角和水平偏距,由1臺雙軸傾角傳感器測量出機身俯仰角和橫滾角,由2臺礦用本安型激光測距儀測量出車前距。水平偏角和偏距的有效檢測距離為30～100m,水平偏角檢測誤差<0.1°,俯仰角及滾動角檢測誤差<0.05°,車前距測距誤差<6mm。該系統(tǒng)能夠在線自動檢測掘進機機身5個位姿參數(shù),并在工控面板上顯示出掘進機在煤巷內(nèi)的實際位姿偏差,為自動定向掘進控制系統(tǒng)提供了必需的位姿參數(shù)信息。本課題研發(fā)的機身位姿參數(shù)在線自動檢測系統(tǒng)首次在我國井下煤巷掘進工況中實現(xiàn)懸臂式掘進機機身位姿誤差的絕對法測量,避免了相對法測量過程中誤差積累問題,技術指標國內(nèi)外領先,為自動定向掘進控制奠定了基礎。1.4差自動消除控制系統(tǒng)該系統(tǒng)在前鏟板加裝1臺礦用傾角傳感器,在后支撐油缸中加裝2臺內(nèi)置位移傳感器,并在控制鏟板和支撐伸出動作的油路中安裝2臺油路壓力傳感器,通過掘進機位姿誤差自動消除控制系統(tǒng)V1.0自編軟件實時控制鏟板和支撐油缸伸縮量,補償俯仰角。在截割過程中,再由上述軟件控制截割臂對水平偏距、水平偏角和俯仰角引入的誤差進行補償以形成正確斷面邊界,巷道兩邊界最大誤差<50mm,掘進定向與激光指向之間的最大誤差<50mm/20m。同時,在工控機面板上可實時觀測各位姿誤差大小。該系統(tǒng)提高了機身撐地穩(wěn)定性,消除了機身位姿誤差對截割斷面邊界成形的影響,且因水平偏角和偏距偏差是絕對法測量,無誤差累計,保證了高精度定向掘進。1.5s-713c的rs-1263-n該系統(tǒng)由機載計算機控制系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控計算機、Linux操作系統(tǒng)以及CAN總線通訊組成。監(jiān)控軟件平臺通過光纖與機載計算機進行數(shù)據(jù)傳輸,遠程控制掘進機信號開、油泵啟停、自動截割、自動刷幫和截割暫停等動作,使用10/100M以太網(wǎng)口、1.2～19.2kbps的RS-485/CAN,控制中心總響應時間<0.1s,控制距離為500～1000m,實際最大控制距離取決于通訊光纖的長度。該系統(tǒng)還可實時顯示掘進機的各種狀態(tài)信息(如油缸壓力、油溫、截割電機電壓電流、機身位姿、截割頭位置等),通過信息的綜合分析評估掘進機的工作狀態(tài)與健康狀況,保障掘進機的安全有效運行。掘進機用遙控手柄發(fā)射高頻信號,經(jīng)過掘進機機用遙控接收器接收后,經(jīng)由RS232與光纖轉換模塊傳入機載計算機控制系統(tǒng),從而實現(xiàn)掘進機的遠程遙控功能,系統(tǒng)實際控制距離取決于光纖長度,控制距離遠大于500～1000m。當井下工況較為復雜時,在距離掘進面一定距離的遠程監(jiān)控硐室內(nèi),該系統(tǒng)可以完全實現(xiàn)掘進機監(jiān)測以及鍵盤鼠標或遙控手柄的一鍵式遙控,達到綜掘工作面掘進過程的無人化,消除因突水或瓦斯突出等突發(fā)事故造成的人身安全隱患,解決了高突工作面的掘進安全難題。1.6wacec-1333.1和wetc-126lh-線該系統(tǒng)包括截割臂和鏟板左右兩側的4臺有線礦用隔爆型網(wǎng)絡攝像儀和機身上側用于觀察一運和二運狀態(tài)的2臺無線礦用隔爆型網(wǎng)絡攝像儀。攝像儀具體參數(shù)為Watec-137LH黑白CCD,水平清晰度為570TVlines,最低照度達0.002LuxF1.4,無線可視傳輸距離可達150m。該系統(tǒng)能夠多角度實時傳輸掘進機本地工作圖像至遠程控制點,并具有攝像儀抗振性能好和圖像延時時間短等特點。該系統(tǒng)實現(xiàn)了在多塵、振動條件下掘進機工況多角度視頻監(jiān)控,可將6路(2路無線、4路有線)視頻信號傳至后方控制硐室或地面任何控制點。1.7實時圖像監(jiān)控該系統(tǒng)由機載計算機控制系統(tǒng)、CAN轉以太網(wǎng)模塊、井下環(huán)網(wǎng)以及裝有基于組態(tài)王的掘進機遠程監(jiān)測系統(tǒng)的終端計算機組成。掘進機各監(jiān)測參數(shù)由機載計算機控制系統(tǒng)采集處理,通過CAN轉以太網(wǎng)模塊進入礦井環(huán)網(wǎng)。該系統(tǒng)可在地面任何地點實時監(jiān)測并顯示掘進機運行狀態(tài)參數(shù)包括掘進機位姿參數(shù)等信息,并具有遠程故障診斷和報警功能,還具有歷史數(shù)據(jù)保存、顯示和打印功能。該系統(tǒng)可實現(xiàn)地面任意地點可視化監(jiān)測及診斷,所有狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)以及井下視頻圖像都可觀測和記錄,保障掘進機的安全有效運行。2試驗系統(tǒng)及巷道布置本課題樣機為石家莊煤礦機械有限責任公司出產(chǎn)的EBZ200半煤巖掘進機(如圖4所示)。井下工業(yè)性試驗在邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦開展,其系統(tǒng)布置及巷道情況圖如圖5所示。本井下試驗開展期間,各個系統(tǒng)性能穩(wěn)定,功能可靠,技術和性能參數(shù)達到了合同要求,有效提高了掘進效率和斷面截割成形質量,減輕了工人勞動強度,延長了設備的使用壽命,保障了掘進施工的高效和安全。井下試驗情況如圖6～8所示。3系統(tǒng)運行效果該項目研究成果已成功應用于石煤機縱軸式EBZ160、EBZ200掘進機和橫軸式硬巖EBH300(A)掘進機等多種機型上,并在官板烏素礦、平煤十二礦和云駕嶺礦等進行了工業(yè)性實驗。試驗結果表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,應用效果良好,創(chuàng)造了月進尺1003m的記錄。目前,石煤機生產(chǎn)的掘進機已有60多臺選用本課題的研發(fā)成果,使用后受到了用戶的好評和歡迎,很多用戶積極要求加裝掘進機遠程控制功能。自2009年以來,使用本課題研發(fā)成果生產(chǎn)的掘進機的銷售收入超過2億元,制造廠商和煤礦用戶已累計新增利潤28600萬元,節(jié)支總額約為7200萬元。加裝該技術的掘進機掘進效率和巷道成形質量明顯提高,每臺設備進尺月均增加100m,全年累計增加進尺約100萬m,這對提高煤礦生產(chǎn)效率和煤炭產(chǎn)量效果顯著。4掘進控制性能(1)本課題研制成功的掘進機遠程控制技術及監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了截割頭空間位置的精確控制、截割臂擺速自適應控制、位姿參數(shù)