矿井液压支架激光定位传感器的应用研究

卢金强

（晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000）

引言

随着煤矿井下综采作业技术的不断进步，以采煤机、液压支架、刮板输送机为代表的综采面核心装备的综采协同要求不断提高，要求液压支架、刮板输送机在综采作业过程中保持处于直线状态并且能够根据采煤机的综采作业情况进行跟机自动运行控制。在运行过程中液压支架需要对采煤机、刮板输送机的位置状态进行判断，根据判断结果调整支护情况，保证跟机的调整效率和精度。目前在井下作业中主要是在综采面采用拉钢丝或者设置一个激光光束作为支架调整的标记线，由人工支架的位置进行调整，满足精确定位的需求，但该方案存在着调整精度差、效率低的不足，难以满足采煤机、液压支架、刮板输送机的综采联动控制要求。

结合井下综采作业环境及液压支架的精确定位需求，本文提出了一种新的液压支架激光定位传感器，对该激光定位传感器的结构组成、高精度定位原理及井下应用情况进行了研究，根据实际应用表明，该液压支架激光定位传感器能够将液压支架的对齐精确度提升到±15 mm，将对齐调节时间降低72.1%，显著地提升了采煤机、液压支架、刮板输送机的协同作业精确性，目前该系统已在多个煤矿投入应用，取得了极好的应用效果。

1 液压支架移架对齐原理

液压支架在跟机运行的过程中，在不同的时间段处于采煤机不同位置的液压支架的动作状态不一致，而且需要跟随采煤机的运行不断调整支护位置，满足跟机自动运行，为了保证跟机自动运行控制的精确性和支护安全性，在液压支架调整的过程中需要各个支架需要保持在一条直线上。因此提出了一种新的液压支架对齐方案，在相邻的液压支架两侧分别设置激光传感器，其兼有激光发射和接收的功能，将一个液压支架作为基准支架，通过激光发射装置向临近的支架发出激光定位线束，控制系统对接收到的激光定位信号进行分析，判断是否发生偏位，并对偏位量进行确认，为液压支架的位置修正提供依据，直到移动的液压支架上的激光接收装置能对正接收激光定位线束，表示移架到位。后续的支架在调整的过程中则以前一个支架为基准位置进行调整，从而保证了液压支架组在调整过程中的直线度。

该激光定位移架控制系统和液压支架的调整控制系统相连接，通过对所接收到的激光束的强度和偏位量进行分析，确定液压支架的偏位情况，将其转换为位移调整信号传递给液压支架的调整控制系统，实现支架根据激光定位监测结果自动进行位置调整，给液压支架移架对齐原理如图1所示[1]。

图1 液压支架移架对齐原理示意图

2 激光定位传感器硬件结构设计

为了提高使用的可靠性，本文所提出的矿用激光对位传感器采用了发射、接收一体化的布局结构[2]，其所发射的激光定位光束为一个线形的光面，能够保证液压支架能够在较宽的幅度上接收到激光束，并对液压支架的调整提供指引。液压支架在移架的过程中分为加速移动、匀速移动和减速移动三个过程，为了提高液压支架调整的精确性和调整效率，因此在加速移动的阶段进行粗定位，在匀速阶段进行精定位，在减速过程中进行微调，同时液压支架在调整过程中不会再增加额外的调整时间，提高系统的应用效果。

本文所提出的激光对位传感器主要包括了电源模块、通信模块、激光发射及接收模块、控制模块，其硬件结构如图2所示[3]。

图2 激光对位传感器硬件结构示意图

由图2可知，该电源模块采用了LM25574开关电源[4]，具备7～41 V的大范围电压输入，能够将不同范围的输入电压转换为3.3 V的电压信号，供传感器内部的运行电路使用。通信模块采用了MAX3232通信芯片，其采用RS232高速数据接口，能够保证数据在传感器、控制器之间的快速、精确传输。控制模块采用了高性能的CPU电路，其采用了扩展内核芯片为控制核心，利用数据接口和液压支架的电液控制系统相连接，从而实现通过激光监测数据对液压支架位姿的调整。激光发射及接收模块主要由2组光敏电阻模块构成接收部分，由继电器和激光发射器构成系统的激光发射模块，激光发射部分输出定能量的激光束，激光接收部分根据接收到的激光束的能量等级和偏斜角来判断两个液压支架的偏位量，进而输出对液压支架的调节值，保证系统调节的精确性。

激光接收部分的布局结构如图3所示[5]。

图3 激光接收部分的布局结构示意图

由图3可知，该激光接收部分分布着两组光敏电阻接收器，共计42个，单个接收器的直径约为8 mm，相邻灯珠之间呈交错排列，最大限度提升对激光光束的接收能力。

3 激光定位传感器软件控制流程

该激光定位传感器控制的核心是对激光光束能量和偏位量的精确分析，因此本文提出了一种新的激光传感器软件控制流程。系统首先获取激光阵列传感器上光敏电阻的电压值，由应用程序计算出每个光敏电阻的电阻，由于光敏电阻接收到的光照越强其对应的电阻约小，不同的光照强度对应了不同的电阻值，因此通过计算每个光敏电阻的电阻值即可快速的确认所接收到的激光束的能量值[6]，根据光照在激光接收模块上的分布情况即可快速确定液压支架的偏位状态和偏位量，激光传感器软件控制流程示意图如图4所示[7]。

图4 激光传感器控制流程示意图

4 应用情况分析

目前该矿井液压支架激光定位传感器已经在多个煤矿投入应用，对不同调整方案下的液压支架调整情况进行对比分析，结果表明，采用新的定位控制方案后，液压支架的调整精度达到了±15 mm，远高于优化前的±70 mm，而且从发出调节信号，到液压支架状态调整完成，支架的调整时间由最初的4.3 min降低到了目前的1.2 min，调整时间降低了72.1%，显著提升了液压支架的调整效率和精确性，目前该系统已经在多个煤矿投入应用，取得了极好的应用效果。

5 结论

1）该激光定位移架控制系统和液压支架的调整控制系统相连接，能够通过对所接收到的激光束的强度和偏位量进行分析，转换为位移调整信号传递给液压支架的调整控制系统，实现液压支架位置的自动调整；

2）激光对位传感器主要包括电源模块、通信模块、激光发射及接收模块、控制模块四个部分，模块化程度高；

3）通过分析不同光敏传感器的电阻值，能快速确定液压支架的偏位状态和偏位量；

4）该液压支架激光定位传感器能够将液压支架的对齐精确度提升到±15 mm，将对齐调节时间降低72.1%。