智能化掘进机技术研究及应用分析

2023-03-22常德志

中国设备工程 2023年4期

常德志

（鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017200）

随着煤矿开采的深入进行，其开采困难和危险系数逐步增加，越来越受到突水、瓦斯、埋深等因素的制约。在开采煤矿时，掘进工作面受到更大的威胁，掘进工作面工人长时间处在高浓度粉尘、高湿度和温度条件的影响，其身体健康较易受到威胁。掘进工作面都是独头进行施工，巷道突水、顶板冒落、瓦斯爆炸等严重威胁煤矿工人的生命安全。根据我国煤矿巷道掘进的特色，务必实现掘进技术和装备的创新，提升快捷化、智能化、并行化、成套化、柔性化水平，保障其稳定性和适应性。当今，绝大部分掘进巷道都在施工中应用分离作业的形式，在没有大面积推广成套的掘进、输送、支护设备之前，智能化掘进机技术的分析对工人劳动负荷的减轻、掘进工作面作业能力的提升有着非常重大的现实作用。

1 智能化掘进机技术的作用

1.1 可以远程监控掘进机及其设备的运行情况

结合远程监控系统，可以实时呈现设备运行的一系列参数信息、后配套出料和星轮收料状态、整机和截割头部位、监控工作面情况等，其可以呈现非常丰富的内容，方便维护与检修。并且，嵌入式数据库储存技术的应用可以储存与分析一系列数据信息，以及生成曲线，这非常方便查询数据和记录历史故障，如果设备存在故障问题，那么能够实时判断故障代码以及实施处理对策。

1.2 可以自动控制远程截割过程

结合掘进机油缸传感器以及电控系统可以对截割臂的工作参数进行采集，以及对一系列动作油缸的工作行程进行记录，让通过数据交换箱向工控机输送，在对截割轨迹图进行绘制，结合远程视频监控分站让操作者熟悉现场情况。此外，其还有记忆巷道断面截割轨迹的作用，从而可以自动控制远程截割过程。

1.3 可以在线监测截割轨迹

结合掘进机惯性导航系统以及在线实时监控掘进机的截割轨迹，截割路线能够与激光定位仪协调配合运行。结合对掘进机位姿参数的调整，可以根据设计的结构线路进行截割，确保一次成型的工作面质量提升，以及很好地防范截割面的超挖以及欠挖情况，因此具备良好的巷道成型特点，并且大大提升了截割效率。相反，如果仅仅以人工方式进行截割，因为受到操作者能力以及视线因素的影响，操作者难以对截割量进行有效控制。

2 智能化掘进机控制系统和智能化掘进机技术的设计要求

国内煤矿智能化掘进技术的应用和发展存在以下不足：（1）掘进工程具备复杂的开展条件。掘进工作质量的主要影响因素是掘进环境，国内煤层赋存具备非常复杂的状况，因此掘进工作环境的特点是机械化生产困难、围岩控制难度大、安全系数低等。地质状况的复杂化导致智能化掘进的风险性和不确定性增加，设备难以实现自适应控制。（2）复杂的施工流程不利于掘进效率的提升。以智能化掘进视角而言，固有的煤矿巷道掘进具备太多的流程，很多串行工作流程不但使大部分成巷时间和用工数量占据，而且减慢了施工进度，从而不利于智能化掘进技术的顺利应用。

2.1 智能化掘进机控制系统的设计要求

结合煤矿生产工作流程以及地质状况，智能化掘进机分析系统的设计务必达到智能化标准，可以显示数据以及进行智能化控制，进而可以监测与记录煤矿生产工作面的流程以及具体运行数据信息，首先应分析掘进机截割的过程，然后建构作业单位参数和断面数据尺寸间的数字化模型，以及对截切头坐标、液压缸部位、悬臂运行转角部位的相关性进行计算。控制软件有效体现截割范围，且将有关视频和数据信息（运行以及截切信息等）传输给监测系统，这样能够实时监测掘进机，进而实现截切自动化成型的标准。根据地质条件状况在设备中应用智能化技术能够实现时间和人力的节省。为了确保系统到达适宜的轨道，能够以可视化智能监测系统将设备运行的时间缩短，以使能耗减少。在进行对比后，我们可以应用变频技术和防爆三相电机技术，结合单片机AVP对截切的整个流程进行控制，且结合程序VB6.0呈现在界面。

2.2 智能化掘进机技术的设计要求

掘进机控制系统的主要组成部分是PLC、显示部分、回路保护部分、电机等。此系统应用交流供电电压，可以实现电机正反转和启停运行，能够对电机进行很好的保护。掘进机在生产操作（运行、转载、截割等）过程中都少不了电机的支持，此电机能够真正实现工作需要。通常能够划分掘进机操作为三个阶段：一是准备阶段，即清楚场地不相关的人员。二是启动阶段，即启动电机后，油泵恒定电压发出预警，从而进行自动切割，这时磁阀被启动。三是低速启动以及高速切割阶段，掘进机控制软件系统的功能是检测漏电以及实现保护，其中，检测漏电功能即检测电机截割和油泵的漏电信息，如果形成漏电，那么报警会引发，而实现保护的功能即避免一系列电机存储超载、超温、过流的现象。急停按钮设计在此系统上，保障出现意外的情况下，能够迅速暂停运行，实现设备保护目标。

3 智能化掘进机技术的设计

3.1 PLC控制系统的设计

（1）硬件系统设计。掘进机控制系统的硬件组成部分是开关、按钮、报警使用的光和声音报警、一系列功能的信号灯等，因为控制器（西门子CPU226）可以拓展一系列功能，非常方便和灵活，可以实现智能化掘进控制的要求。因此，控制器的控制核心应用西门子PLCS7-200的CPU226。并且，拓展了CPU226的功能，即设置了模拟和数字模块，各自是西门子Em222与Em231。西门子S7-200连接HMI触摸屏和上位机电脑，进而使人机交互的理想应用效果实现，其不但使操作者的操作困难减小，而且HMI触摸屏可以对掘进机的运行动态进行具体和直观的反馈，可以进行尤为直观的控制。系统安全监控可以判断场地采集的数据信息，在发生危险或故障的情况下，实时将报警发出，操作者能够结合报警采集的信息对故障性质和位置做出准确的判断，从而方便维修工作者实时维修故障，最终实现掘进机运行效率的显著提升。

（2）程序控制设计。对于PLC程序控制的设计而言，其实际上是智能化改装掘进机，其工作流程是：先是做好掘进机运行前的准备，即检查有关元件和进行系统自检，明确故障问题是否存在，如果故障存在于系统元件上，那么故障报警会被系统发出，以警示相关操作者解决故障问题。在自检都正常的条件下，控制人员对掘进机进行启动，这种情况下掘进机开始准备运行。如果油泵电机被启动，那么掘进机开展液压油升压的工作，在系统具备稳定液压之后才可以开展接下来的工作，掘进机在5s后进行低速切割，然后再经过5s后进行高速切割。

（3）安全性以及抗干扰设计。因为掘进机具备十分复杂的施工环境条件，提升掘进机的安全和抗干扰设计十分关键。在掘进机控制系统中，掘进机电控柜中安装了电器元件、PLC、开关、显示器等，因此，电控柜的设计不但应实现尺寸标准，而且应具备安全的结构，以及务必具备相应的防爆和隔爆性能。此外，电控柜的设计应确保开门的情况下电路断电的安全性，在进行设计时需要安装开门传感器，即在开门前因为其他因素而未曾将控制柜电源断开的情况下，当控制柜门关闭的情况下可以自动跟电源接通、在控制规模打开的情况下自动和电源断开，这样可以确保操作者的人身安全。与此同时，需要将防震装备设计在控制柜上，保障系统不会由于振动而导致误操作。为了保障掘进机的工时不受到影响，不但要进行防震隔爆的电控柜设计，而且应确保选择的PLC程序控制器具备相应的抗电磁效果，具体来讲，其需要做到：PLC程序控制器设计的供电电源务必是独立的；PLC程序控制器的信号传输线路不可与动力电源线路共同排列，避免信号参数受到交流频率的制约；务必在金属控制柜中安装PLC硬件控制设施，如此能够对控制柜之外的电磁信号进行有效屏蔽。

3.2 控制系统的维护

（1）电缆和元件维护。在煤矿复杂多变的环境条件下，掘进机控制系统的电缆、电线、设施、元件等较易被破坏或老化变形，因此务必注重控制系统的维护和保养。具体来讲，应做到下面几点：一是对掘进机电气控制单元进行检查，先是对控制系统的接线、主接触器、熔断器等是否正常运行进行检查，以及对报警器、控制系统的一系列功能等是否正常运行进行检查，最后对控制系统的紧急暂停开关是否正常运行进行检查。二是对电缆的状态进行检查，可以测试电缆，判断电缆技术标准是否符合实际工作需要，判断滴水或漏水的情况是否存在于电缆工作场地，以及检查电缆防护铠甲是否可以承受相应的冲击、电缆是否因为跟油类接触而老化、电缆外防护是否长期运行被损坏。

（2）电机维护。掘进机可以顺利运行的基础在于掘进机设备的电机，因此，应定期维护和保养掘进机控制系统的电机。具体来讲，如下所述：一是对电机运行温度和电压值是否在要求的数值范围内进行定期检查；二是对电机的绝缘性能和连接电机设备的稳定性进行定期检查，并且定期润滑主轴轴承。

4 应用效果分析

4.1 实现了理想的经济效益

（1）实现了单进能力的提升和掘进工期的缩短。智能化掘进机技术在矿井的应用，不但提升了单进水平，而且使工作面准备工期缩短，赢得了治理工作面灾害的珍贵时间，以及实现了工作面回采工作灾害抵抗能力的显著提升。在缩短掘进工期的基础上，可以确保工作面事先步入采掘接替单元，从而使接替紧张的局面得以很好地缓解，最终确保年度生产任务的有序和安全进行。

（2）实现了劳动效率的提升。在应用智能化掘进机技术后，劳动效率大大提升，让矿井在完成相同生产任务的情况下显著减少了人力成本支出，从而有助于煤矿经济效益的增加。

4.2 实现了理想的社会效益

在建设智能化掘进工作面后，矿井与社会发展的趋势和方向相适应，在当今严峻的发展形势下，职工心中的民心工程被成功打造，煤矿工人的工作负荷减轻、幸福满意度提升，这奠定了建设无人化、自动化、智能化掘进工作面的良好基础，完善了发展的缺陷，有助于煤矿智能化掘进技术的升级和转型发展。

4.3 实现了理想的安全效益

在风门外的新鲜空气中设置远程遥控操作硐室，人员可以远程对设备进行操控，以使截割的自主化目标实现，生产者勿需接触工作面产尘，这非常有利于煤矿工人的身体健康。建设智能化掘进工作面支护可以使“智能化减人、自动化少人、机械化换人”的目标实现，操作者结合集控中心的操作能够使无人或少人的工作目的实现，确保了员工的健康和安全，能够很好地防范煤矿瓦斯隐患导致的人身伤害事故，从而真正渗透了以人为核心的安全发展观。