煤矿机载液压锚杆钻机控制系统设计

陈志良 王子越 曹晓明 郭吉昌

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013）

我国井工煤矿每年新掘进的巷道总长度超过12 000 km，是我国规模最大的地下工程。巷道支护是井工开采的关键技术之一。锚杆、锚索支护是我国煤矿巷道的主体支护方式[1]。液压锚杆钻机是锚杆支护工程施工的关键设备之一，影响着支护质量的好坏与支护速度的快慢。在煤巷矿道和岩土锚固工程施工中，普遍使用机载型液压锚杆钻机[2]。但是，锚杆钻机的控制主要依赖人工手动控制，对操作人员技术依赖性高，且无法面向不同围岩实现钻机的自适应钻进[3]。

现有机载液压锚杆钻机通过位置传感器感应锚杆的钻进位置，通过液压压力传感器检测油缸钻进压强，通过流量传感器检测流经液压缸的流量[4-6]。机载液压锚杆钻机在煤矿巷道作业的过程中，长时间受到水及煤渣的冲刷，导致外置位置传感器使用寿命和使用效果极易受到影响。虽然增加传感器的数量和种类可以提高系统感知环境的能力，但传感器的数量增多也会增加系统的整体故障率。除了增加成本以外，过多的传感器还会加大数据融合难度，增加控制程序的编写和维护难度。

针对上述问题，本文提出一种仅使用液压压力传感器的煤矿机载液压锚杆钻机控制系统。系统以传统可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为控制器，将推进液压缸或液压马达的压强大小作为自动化施工过程的启停信号。

1 机载液压锚杆钻机控制系统设计方案

典型自动控制系统由控制器、被控对象、执行器以及传感器4部分组成。机载液压锚杆钻机控制系统的设计方案，如图1所示。

（1）PLC是锚杆钻机控制系统的控制器。PLC搭配传统输入/输出（Input/Output，I/O）模块，可实现开关量、模拟量的输入输出。PLC搭配特殊I/O模块可实现脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号的输出，直接控制液压比例阀。PLC内部定时器可以实现自控施工过程的延时控制。

（2）被控对象由钻机伸缩油缸、支撑柱油缸、液压马达和排渣水组成。钻机进给油缸通常为双作用液压缸，利用活塞两侧不同的压强可实现钻机打孔的进给及后退。支撑柱是机载锚杆钻机特有的组成部件，用于固定钻机与煤壁的相对位置，避免打孔过程中的振动导致钻机主体与煤壁之间产生相对位移。液压马达用于提供钻孔过程中所需的转矩和转速。煤矿机载锚杆钻机一般采用湿式钻孔，钻孔过程中需实时通入排渣水，保证煤渣的顺利排出，并起到冷却钻头的作用。

（3）执行器由钻机伸缩油缸、支撑柱油缸和液压马达所对应的3个比例阀和1个进水电磁阀组成。比例阀的开度影响液压缸及液压马达的运行速度。比例阀阀芯位移大小由通过线圈的电流大小决定。PLC通过调节流经比例阀线圈的PWM信号占空比，可实现线圈电流的控制，进而实现对液压缸和液压马达的控制。

（4）传感器由钻机伸缩油缸、支撑柱油缸和液压马达油路上的3个压力传感器组成。支撑柱顶到煤壁或钻机打孔到底时，液压压力传感器的压强数值会显著上升，以此作为停止施工的信号。液压马达在钻机打孔过程中，若旋转方向的压强异常升高，说明钻机自身或被钻围岩状态异常，应立即停止施工排查故障。

2 硬件系统选型设计

控制器及配套I/O模块应围绕执行器和传感器进行选型。本文设计的控制系统适用于各种品牌的工业PLC，如三菱、西门子以及欧姆龙等。常见的PLC均有配套的开关量及模拟量的输入输出扩展模块。本系统中包含的进水电磁阀需要配置1路开关量输出，3个压力传感器需要配置3路模拟量输入。对于3个比例阀的输出信号，有2种常见的输出配置：一是PLC通过扩展模块直接输出电流型PWM信号，通过控制脉冲电流占空比实现比例阀开度的控制；二是PLC输出模拟量控制比例阀配套的放大板，进而实现对比例阀开度的控制。

执行器中的比例阀选型主要取决于液压系统的压强及流量。比例阀在满足液压系统使用的基础上，应选取较高的静态性能指标和动态性能指标，如滞环小、线性度高以及响应快速等。进水电磁阀的选型主要考虑水压和通径。

压力传感器的选型主要取决于被测液压管路的压强和测量精度。当压力传感器线路周边有高频磁场干扰时，应选取带屏蔽功能的传感器线缆。

在煤矿井下使用的执行器或传感器应选择具有煤矿安全标志证书的隔爆或本安型产品。

3 软件系统程序设计

控制系统的程序流程图，如图2所示。系统首先进行初始化，将PLC各个输出及内部变量复位，启动压力传感器的实时数据采集，并将模拟量信号转换为压强值。初始化完毕后，钻机支撑柱前进。当支撑柱油缸进给压强超过给定阈值后，支撑柱停止，开启进水电磁阀，液压马达开始旋转。钻机油缸在进给的过程中，实时判断液压马达的旋转打孔压强。当马达旋转方向的压强过高时，则认定施工状态异常，停止钻机作业。当钻机进给油缸压强超过阈值时，则判定钻机行程结束或接触煤壁，钻机完成打孔。钻孔完成后应停止钻机进给、马达旋转和进水。最后，钻机和支撑柱同时回退，完成钻孔施工。

在系统控制过程中，PLC对执行器的输出信号根据具体使用场景而定。既可以是定值输出，液压缸或液压马达以恒定速度运行，也可以根据压力传感器的数据，实时调整电磁阀开度大小，使得液压缸或液压马达的压强保持恒定，不受负载变化的影响。

控制系统自动运行的主要判据是液压缸或液压马达的实时压强值大小。压强阈值一般是定值。当被钻围岩结构变化较大或液压系统油温波动较大时，固定的压强阈值可能导致系统过早停止或无法停止当前阶段的运行。

4 煤矿井下试验

设计的控制系统在煤矿井下进行试验，并采集钻孔过程中的压强数据，如图3所示。

钻孔过程中的压强主要包含两部分：一部分是一级油缸运动过程中的实时压强；另一部分是二级油缸运动过程中的实时压强。钻孔过程中，一级油缸运行压强在3.5 MPa左右，压强波动范围较小；二级油缸运行压强在11.0 MPa左右，压强波动范围较大。两级油缸运行压强及压强波动范围差异，主要是由一级油缸和二级油缸的进回油液压截面积不同导致的。

从压强曲线图的最后部分可知，当钻机打孔行程到底时，钻机进给压强在2.6 s内由10.0 MPa增加至17.8 MPa。因此，钻机进给压强可以作为钻机打孔自动停止的判断依据，而本文设计的煤矿机载锚杆钻机控制系统可以实现锚杆钻机的自动化运行。

5 结语

本文设计了一种煤矿机载锚杆钻机控制系统，特点是仅使用液压压力传感器作为系统唯一传感器，简化了硬件系统设计，同时阐述了系统硬件选型设计和软件程序设计，通过煤矿井下试验证明了系统自动化运行的可行性。但是，提到的液压缸恒压控制在实际试验过程中难度较大，传统PID控制效果有限，需进一步研究控制算法。此外，压强阈值易受液压系统油温及围岩结构的影响，因此压强阈值的实时自适应控制仍有待研究。