掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)探討

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摘要:常規(guī)掘進(jìn)機(jī)需要人工通過(guò)控制機(jī)械液壓手柄完成掘進(jìn)工作，效率低，自動(dòng)化程度低。因此，在現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)電控系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行人工遠(yuǎn)程定位和自動(dòng)化控制截割，并實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遙控操作和截割電機(jī)恒功率控制等，對(duì)提高掘進(jìn)效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞:掘進(jìn)機(jī);電控系統(tǒng);改進(jìn)

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下進(jìn)行掘進(jìn)工作的重要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)煤礦井下的破煤、裝載、行走等作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)根據(jù)其作業(yè)方式分為部分?jǐn)嗝婧腿珨嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。其中，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在小型煤礦開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，需要人工通過(guò)控制機(jī)械液壓手柄，效率低，自動(dòng)化程度低。為了提高掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)效率和自動(dòng)化程度，本文對(duì)掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遙控操作以及自動(dòng)截割功能。

1改進(jìn)設(shè)計(jì)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)的功能

對(duì)常規(guī)掘進(jìn)機(jī)主要進(jìn)行了如下的改進(jìn)設(shè)計(jì):1)將液壓系統(tǒng)的比例閥更換為比例電磁閥;2)在升降和回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)部安裝位移傳感器;3)增加了一個(gè)擴(kuò)展控制箱，采集傳感器信號(hào)、接收遙控信號(hào)、驅(qū)動(dòng)比例電磁閥等;4)增加一個(gè)遙控接發(fā)器裝置。通過(guò)以上改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遙控操作，對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行人工定位和自動(dòng)截割，實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)恒功率控制等。

2改進(jìn)設(shè)計(jì)總體框架

改進(jìn)設(shè)計(jì)是在原有的電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造升級(jí)，因此改進(jìn)設(shè)計(jì)的總體框架必須與原有基礎(chǔ)電控系統(tǒng)具有兼容性，盡量保持系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的完整性，通過(guò)增加一個(gè)擴(kuò)展控制箱完成整個(gè)系統(tǒng)的改造升級(jí)，改造升級(jí)后的電控系統(tǒng)總體框架如圖1所示。從圖中可以看出，該電控系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)電控系統(tǒng)和擴(kuò)展控制箱兩部分組成，其中基礎(chǔ)電控系統(tǒng)的安裝位置不變，仍然在原有的電控箱內(nèi)。擴(kuò)展控制箱主要包括遙控接收器、雙軸傾角傳感器、信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)輸出模塊、CAN總線(xiàn)隔離模塊、電源模塊等。雙軸傾角傳感器用來(lái)采集掘進(jìn)機(jī)本身的機(jī)身狀態(tài)參數(shù);信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)輸出模塊是控制器的擴(kuò)展模塊，主要通過(guò)CAN總線(xiàn)與控制器進(jìn)行通訊連接，信號(hào)采集來(lái)源主要包括比例電磁閥組和油缸位移傳感器兩方面。

3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造升級(jí)后的電控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由4大部分組成，包括控制信號(hào)接發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)模塊、比例電磁閥組和油缸位移傳感器，如圖2所示。1)比例電磁閥組。比例電磁閥在工作過(guò)程中主要通過(guò)自身的電信號(hào)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)液壓油流動(dòng)的方向和流量進(jìn)行控制，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)量等參數(shù)的有效控制。本次設(shè)計(jì)比例電磁閥為2組，選用PSV型的比例電液換向閥，由德國(guó)HVWE公司研發(fā)制造，具有防爆的特點(diǎn)，IP67的防護(hù)等級(jí)，冷態(tài)電阻為26．6Ω額定電壓為24VDC。2)油缸和位移傳感器。油缸需要選擇截割升降和回轉(zhuǎn)時(shí)的兩種類(lèi)型的液壓油缸，每種型號(hào)的數(shù)量都是2個(gè)，桿徑和缸徑都相同，分別為130mm和200mm，升降油缸的行程為682mm，回轉(zhuǎn)油缸的行程為1027mm。圖2改造升級(jí)電控系統(tǒng)硬件組成掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，要求油缸位移傳感器具有耐塵、抗震動(dòng)、防潮濕的性能，本設(shè)計(jì)選用GUC1000型號(hào)的位移傳感器，該傳感器由北京金泰星測(cè)技術(shù)有限公司生產(chǎn)，具有防爆的特點(diǎn)，通過(guò)磁脈沖技術(shù)測(cè)量液壓桿的行程位置，并且安裝在液壓缸體里面，占用空間小，不容易損壞。針對(duì)升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸選擇了兩種量程的傳感器，升降位移傳感器最大的測(cè)量量程為690mm，回轉(zhuǎn)位移傳感器最大的測(cè)量量程為1030mm。其他電氣參數(shù):電壓為24V，精度為0．05%，響應(yīng)頻率為0．2～5ms，輸出信號(hào)為4～20mA。3)控制信號(hào)接發(fā)裝置。控制信號(hào)接發(fā)裝置包括無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)送器和車(chē)載無(wú)線(xiàn)接收器，都選用德國(guó)海德公司GL系列的礦用本安型接發(fā)器，并且通過(guò)二次程序的開(kāi)發(fā)對(duì)接發(fā)器的面板和輸入信號(hào)等功能進(jìn)行了改造升級(jí)。車(chē)載無(wú)線(xiàn)接收器安裝在擴(kuò)展控制箱的內(nèi)部。無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)送器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手柄和開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，車(chē)載無(wú)線(xiàn)接收器接收到信息后再通過(guò)CAN-Open總線(xiàn)傳輸給控制器?？刂菩盘?hào)接發(fā)裝置包含有指示燈，可以實(shí)時(shí)顯示發(fā)送器和接收器的信號(hào)強(qiáng)弱、工作狀態(tài)等信息。4)數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)模塊。數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)模塊安裝在控制箱的內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)模塊選用ICN－VV型號(hào)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品為德國(guó)InterControl公司生產(chǎn)，通過(guò)總線(xiàn)通訊的方式與控制器進(jìn)行通訊，可以認(rèn)為是控制器的擴(kuò)展I/O。ICN－VV模塊是整個(gè)擴(kuò)展模塊的核心，通過(guò)該模塊可以采集升降和回轉(zhuǎn)油缸的位移傳感器信號(hào)，以及傾角傳感器信號(hào)和遙控發(fā)送器的操作信號(hào)，再通過(guò)CANOpen總線(xiàn)將這些信號(hào)傳輸給控制器，同時(shí)ICN－VV模塊接收來(lái)自控制器處理后的相應(yīng)輸出信號(hào)，再驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的比例電磁閥組，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和驅(qū)動(dòng)的功能。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1遙控軟件設(shè)計(jì)。遙控軟件需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，其目的是對(duì)接收到的遙控指令信號(hào)進(jìn)行處理，遙控指令信號(hào)分為電氣操作信號(hào)和液壓操作信號(hào)。當(dāng)接收到遙控操作信號(hào)，首先需要進(jìn)行識(shí)別，然后根據(jù)信號(hào)類(lèi)別進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的子程序流程，圖3為遙控軟件程序流程。1)電氣子程序。掘進(jìn)機(jī)操作箱上的各個(gè)按鈕在遙控發(fā)送器上都有對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，因此，對(duì)遙控器上的開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作就可以對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行啟停等相應(yīng)操作。遙控器操作模式和操作箱面板模式同時(shí)只能有一種模式起作用，當(dāng)遙控器操作模式開(kāi)啟時(shí)，操作箱面板模式關(guān)閉，當(dāng)遙控器操作模式關(guān)閉時(shí)，操作箱面板模式功能恢復(fù)。另外，急停按鈕在兩種模式下都是有效的。2)液壓子程序。在油泵電機(jī)打開(kāi)以后，遙控裝置能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)進(jìn)行操作。4．2恒功率截割軟件設(shè)計(jì)。在遙控裝置操作掘進(jìn)機(jī)的切割和自動(dòng)截割兩種工作狀態(tài)下，當(dāng)截割部位的電機(jī)產(chǎn)生的電流大于其額定工況下電流的90%時(shí)，電控系統(tǒng)開(kāi)啟自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過(guò)降低截割部位的液壓閥流量，降低截割部位的電機(jī)負(fù)載，從而能夠?qū)崿F(xiàn)截割電機(jī)工作時(shí)保持恒功率運(yùn)行。4．3定位自動(dòng)截割軟件設(shè)計(jì)。掘進(jìn)機(jī)位于巷道的中間，同時(shí)兩側(cè)的支撐油缸工作時(shí)，掘進(jìn)機(jī)位置固定。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)打開(kāi)自動(dòng)截割模式的時(shí)候，掘進(jìn)機(jī)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)值的斷面形狀進(jìn)行自動(dòng)工作，包括截割端面、掃底和刷幫等，自動(dòng)截割端面時(shí)的截割路線(xiàn)為自下向上的S型曲線(xiàn)。定位自動(dòng)截割程序流程如圖4所示。當(dāng)操作按鈕符合條件時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)截割模式，首先進(jìn)行自動(dòng)截割模式參數(shù)設(shè)置子程序，設(shè)置的參數(shù)包括截割半徑、截割步長(zhǎng)、預(yù)設(shè)截割端面的橫向長(zhǎng)度和縱向高度等。參數(shù)設(shè)置完成后，進(jìn)入到自動(dòng)截割模式運(yùn)行子程序，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割，可以完成截割端面、掃底和刷幫等工作。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，無(wú)論是遙控模式還是自動(dòng)截割模式，都可以操作急停按鈕，將所有電機(jī)停止工作。

5結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)升級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)的總體框架以及軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)闡述。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行人工遠(yuǎn)程定位和自動(dòng)化控制截割，并實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遙控操作和截割電機(jī)恒功率控制等，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的綜合性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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作者:趙勇偉 單位:霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦