煤巷掘进机液压控制系统分析

阎剑俊

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 古交 030200）

引言

掘进机在煤炭工程中发挥着重要作用，随着现代化采掘理念的推广，不仅对于掘进机挖掘效率提出要求，更需要降低掘进成本，提高工作效率。其中液压控制系统作为掘进机重要系统，对于节约能源、提高工作效率发挥着重要作用。因此需要加强对液压控制系统的研究，不断优化硬件和软件设计。

1 液压控制系统的需求分析

液压控制系统是煤巷掘进机的重要构成，掘进机正常运动、移机以及掘进均需要由液压系统提供运动控制以及支撑。液压控制系统受到液压站驱动，经过执行器件以及传感器件完成动作。液压系统主要由支撑靴板和推进油缸构成，支撑靴版位于掘进机上下位置，油缸按照X-Y 轴安装，共同对掘进机的动作进行控制[1]。按照运行方式，支撑油缸可以分为成组、单独以及分层运动三种方式，油缸油路采取并联方式连接，通过机械作用对刀盘伸退强制控制。为了保证液压系统得到安全运行，液压系统的关键油路需要使用压力传感器，推进和支撑油缸要使用行程传感器，可以对液压系统行程进行实时反馈。同时要使用温度、冷却、液位等传感器，实现对液压控制系统的监控。

2 煤巷掘进机的液压控制系统分析

2.1 控制回路

掘进机运行过程中依赖于切割电机旋转切割头，借助于控制系统控制悬臂的方向以及速度，对煤岩进行切割。在生产过程中，控制系统常出现控制精度不足，响应缓慢的问题。因此调速电液比例节流，使用比例方向阀控制切割头。采用定量泵供油，对节流口压差和流通面积进行控制，从而完成调速。这一控制方式响应速度快，结构简单，控制精准。借助于传感器对控制方向和大小进行控制，速度传感器可监测到活塞的速度，输出电信号，设置速度信号，对方向阀进行控制调速。通过位移传感器对活塞位置进行检测，控制切割头掘进距离。如图1 所示为控制回路，通过硬件系统和软件程序的共同作用实现，提高了掘进机的精度和速度，更有利于保证精准掘进，提高煤矿掘进效率。

图1 掘进机控制回路

2.2 硬件系统

1）接口设计主要包括采集接口、数字量接口、输出接口、通信接口、存储模块几个部分。以数字量接口为例，使用DSP 经过CPLD 扩展接口设计，让维护工作量得到简化。由于控制要求输出电压，控制器输出电压为3.3 V，可选择东芝光电耦合器件作为输出驱动器，可以有效去除干扰信号，保护控制器。为满足远程监控，DSP 和上位机信息交互通过CAN 总线实现。由于上位机不存在CAN 接口，使用USB 转CAN 接口实现通信，如图2 所示。

图2 CAN 总线回路

2）电路抗干扰设计可以在高噪声等复杂背景下获取信息，提高测量精度。一般情况信号频率＞30 MHz 时，需要考虑信号失真问题。频率＞60 MHz 时着重考虑信号完整度问题。系统最大频率可达到75 MHz。因此需要使用带有滤波器或者低通/高通对低频和高频信号进行滤除，将干扰源以及敏感部件进行分区隔离。I/O 口增加隔离芯片，元器件和大功率器件接地，有效减少干扰。布线时可以提高地线和电源线的横截面积，保证地线、电源线的走向。电源线均采用＞1 mm 的电线，在空闲区域增加地线，将温敏度高和易发热的器件分开布设，避免对DAC 和运放等产生影响。

3）获取截割头速度较为困难，主要通过液压缸的速度进行截割头移动速度的计算。当液压缸速度固定，截割头位于巷道底部时可以达到最快移动速度。当截割头垂直摆角超过10°时，移动速度稳定。随着摆角增大，截割头移动速度会持续降低。为了对截割头速度的控制，需要同时控制垂直角度和液压缸移动速度。

2.3 软件系统

2.3.1 断面截割成型

断面截割控制是液压控制系统按照程序设定进行断面截割，为了实现自动成型控制，需针对半圆拱形、梯形以及矩形几种巷道断面进行精准控制。截割断面时断面面积一般较极限断面小，截割过程中需保证边界成形质量，预防出现欠挖或者超挖的问题，并最大程度上减少人工修复的情况出现。截割断面边界误差需要控制在7 cm 之内。明确巷道断面尺寸以及形状后，要确定关键参数。在自动模式下，掘进机对巷道断面截割要小于标准巷道轮廓。在停止控制指令后，截割会受到惯性影响继续滑行，可避免接近于最大允许范围，预防发生超挖问题。主要使用ADC 模块采集传感器采集数据，经过DSP 解算处理后控制截割区域。当掘进机姿态和边界达到自动截割要求时，程序可自动补偿误差，自动控制成型。使用传感器可以计算截割速度、油缸压力以及垂直升降深度等参数，接近于边界点时自动降低截割摆动速度，当掘进机工况达到断面成形要求，先对空间位置进行检测，根据程序设定输入截割控制指令，计算模块计算截割的角度，确定液压缸位移。控制模块驱动液压缸的运动，传感器采集液压缸的位移情况，最终对截割头进行控制，按照程序设定路线进行断面截割。

2.3.2 下位机软件

使用CCS6.0 编程软件进行程序编写，为保证掘进机数据实时性传输，设定采集程序按照优先等级执行，采集数据后按照通信格式解析数据。首先使用激光测距、超声波等传感器采集数据，了解掘进工况信息。对采集数据进行传感器融合处理提高信息可靠性。采集数据和处理模块采集数字量和模拟量，数据采集通过ADC 子程序完成，采取周期中断方式启动，按照级联模式读取数据，为避免数据误差，程序采取连续采集10 次后，取中间数据的平均值作为采集值，从而提高采集数据的真实性。一般情况下采样精度误差较大，需要通过测试将误差控制到3%以内。以油缸升降的位移传感器为例，输出选择0～10DVC 模式，测量范围设定≤1000 mm，控制误差在3%之内，检测误差设定30 mm。由于位移误差会影响到测量角度以及截割位置的误差，进而对自动截割精度造成影响。因此需要通过矫正ADC 模块控制误差，由于转换特性为线性变化，可能引起偏移或者增益误差，通过采取对应手段补偿误差[2]。由于传感器适应能力不同，每间隔一段时间都需要处理传感器数组，获取精确数据。把数据按照顺序保存，方便于调取数据。

2.3.3 上位机软件

上位机需要和下位机进行数据交互，经过对通信协议定义设计上位机界面。控制系统数据交互时，具备特定的数据格式，实现实时上传工况信息、下发控制命令、查询命令以及截割信息配置。传感器信息经过解算后按照顺序保存至数组中，等候CAN 总线调取，完成数据采集后发送至上位机。上位机软件设计采取智能设计方案，联合QT 和VS 平台开发，使用模块化设计实现采集和显示工况信息。上位机使用多线程编程方式，保障了系统的响应效率。主线程可以显示界面，利用辅助线程和下位机实现实时通信，对数据库定时更新。使用TCP 协议访问上位机数据库，远程监测控制数据访问。

3 结语

经过对掘进机液压控制系统的分析，已经通过硬件设备和软件程序实现自动截割断面，实时采集掘进工况，控制掘进作业，提高掘进效率和安全性。未来还需要进一步探索软件设计的优化，优化掘进精度和可控性，不断提高掘进机的作业质量和效率，提高作业精准度。