（机械工程专业论文）掘进机自动成形截割控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 目前悬臂式掘进机在我国矿业生产中得到广泛应用。在掘进机巷道掘进中需要 司机手动操作，断面成形质量差，司机安全得不到保障，从而使掘进工作面的效率 与安全问题成为行业关注的焦点。目前国内对于掘进机断面自动截割成形技术研究 比较少，还处于理论研究阶段。因此断面自动截割成形控制的研究与实现具有重要 的现实意义与工程价值。 本论文以e b z 一2 0 0 悬臂式掘进机为研究对象，利用p l c 实现巷道断面自动成形 控制，通过截割臂与断面尺寸间关系建立数学模型，结合各种传感器和自动检测装 置，从而控制截割头运动轨迹获得规整断面。 本论文主要包括掘进机自动截割成形控制总体方案，系统设计及传感器选型调 试，p l c 软件编制，模拟试验和工业性试验，最后提出了掘进机智能型电控系统的规 划。 关键字悬臂掘进机；自动成形控制；可编程控制器；智能控制 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，t h eb o o m t y p er o a d h e a d e ri sw i d e l yu s e di nt h em i n i n go fo u rc o 娜a l o n g w i t ht h em i n i n ge x p l o i t a t i o nc a p a b i l i t yh a v ei 1 1 c r e a s e d ，b u tt h es e v e r ep r o b l e mo ft h e m i n i n gw o r km i s m a t c hi m ，ea p p e a r e d ，t 量l es a f i e t ya 1 1 de f f i c i e n c yb e c o m ef o c a lp o i n to fm i e t h eb o o m - t y p er o a d h e a d e ri s ，ae n g i n e ( 1 r i v e ro p e r ：l t ei t b yh a n d b e c a u s et h ed r i v e r c o u l d n tc o n t r o lm ec u t t i n gc o n d i t i o n ，t 量l eq u a i i t ) ，o ft h es u r f a c eo f f o r m i n gi sn o tb e t t e r c o n t r o l ，t h ei n t e n s i t yi sl a r g e r ，a i l dt h es a f e t yc o u l dn o te n s u r e n o ww ed o n tf i n da n y u s e m la r t i c l e so na b r o a da n dt h ed o m e s t i cr e s e a r c hi sl e s s s ot h er e a l i z a t i o n so ft h e a u t o m a t i cf o m l i n gc u t t i n gh a v et h ea c t u a lv a l u ea n d e n g i n e e r i n gv a l u e b a s e do nt h ee b z 一2 0 0 c a m i l e v e rb o o m - t y p er o a d h e a d e ri nm el a n e 、a y ，t l l ec h i e ft a s k o ft h i ss u b j e c tm a k e su s eo fp l ct oa c l l i e v ea u t o m a t i cf o 彻i n gc o n t f 0 1 t h ea u t o m a t i c f o r m i n gc o n t r c i l sc 砌i l e v e rw h i c hd r i v e sc u t t i n gh e a d i tc o n t a i n se s t a b l i s h i n gt h ec o n t r o l m a t h e m a t i cm o d e lb yt h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nc 锄i l e v e r 龇1 ds e c t i o ns i z e ，u s i n ga n g l e s e n s o ra 1 1 da u t o m a t i cc h e c k o u te q u i p m e n t t h er e g u l a rs h 印ea j l ds i z eo ft h es e c t i o nc a n b ed o n e t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h e m eo fa m o m a t i c f o r m i n gc o n t r o la 1 1 ds y s t e nd e s i g n ， 胁c t i o nb l o c l ( ss m l l m 哪o f s y s t e m 觚dd e b u gp r o g r 撇，p l cs o 胁a r ep r o g r 锄，i n d u s 町 e x p e r i m e n t ，a r l dl a s tp u tf b 刑a r dt h ec o n t r 0 1s o l u t i o nf o ri n t e l l i g e n tc o n n o lo ft 1 1 e b o o m t ) r p er o a d - h e a d e r k e y w o r d sb o o m 一够p er o a d h e a d e r ；a u t o m a t i cf o n n i n gc o n t r o l ；p l c ；i m e l l i g e n tc o m r o l i i 第1 章绪论 第1 章绪论 目前悬臂式掘进机在我国煤矿生产中得到广泛应用。本章主要介绍了课题研究 的背景，对国内外掘进机发展现状和掘进机断面自动成形控制进行了综述。国内在 悬臂式掘进机掘锚一体化自动截割成形控制这一领域相关研究还很少，目前还处于 理论研究阶段。加强该方面的研究，是大型煤矿机械向自动化方向发展的趋势，并 且有助于提高掘进机安全、有效工作，具有重要的理论意义和现实意义。 1 1 立论依据 巷道掘进机是一种能够实现破煤，装载运输、转载煤岩，调动行走，喷雾除尘 的联合机组。是大型煤矿生产的重要设备，主要用于巷道的开拓，以布置采煤工作 面。使用及普及巷道掘进机的目的在于：相对于原始炮采提高巷道的掘进速度、掘 进效率，减轻劳动强度，改善劳动条件n 吲。 按照对于巷道断面的作用方式不同，掘进机可分为两大类：全断面掘进机和部 分断面掘进机。目前在煤矿普及应用的是部分断面掘进机。前者分为三类：盾构机、 全断面岩石掘进机、顶管机。后者称为“悬臂式掘进机 ，按照破落煤岩方式的不同， 可分为“横轴式掘进机”及“纵轴式掘进机”。如表l 所示。 表卜1 掘进机分类 t a b 1 1m es o f to f r o a 曲髓d e r 盾构机 全断面掘进机全断面岩石掘进机 掘进机 顶管机 部分断面掘进机即悬臂式掘横轴掘进机 进机纵轴掘进机 本次自动成形截割控制系统的研究对象是悬臂纵轴式掘进机。如图卜1 所示。 河北科技大学硕士学位论文 图卜1 悬臂纵轴掘进机 f i g 1 - 1 m eb o o m - 叻er o a d h e a d e r 国煤炭工业生产中占有重要地位，从全世界范围内来讲，也属于 勾成熟的一种机电产品。但在煤矿实际生产中，作业环境极差， ，有很多需要改进、优化之处。 图1 2 工作中的掘进机 f i g 1 - 2t u 】眦e l l i n gr o a 曲e a d c r 2 第l 章绪论 图1 3 工作中的掘进机 f i 孚l - 3t l n l n c n i n gm a d h e a d 盯 1 作业环境恶劣 众所周知煤矿井下工作环境恶劣 瓦斯浓度高( 正常值o 一4 ) ，煤层气( c h 4 ，c 0 2 ) 较多，空气含氧量低；粉尘大； 掘进过程必然伴有煤尘及粉尘( 矿尘) 产生，虽然有通风，但因为是独头巷道，粉 尘不可避免。目前部分掘进机安有内外喷雾但降尘效果不明显。 冒顶；因支护滞后于掘进，掘进面附近沿巷道走向一段裸露项板。 黑暗：照明不好； 高温高湿；湿度大，淋水( 顶板含水) 。 2 作业质量差 手动操作掘进机进行截割工作，截割效率低，随机性大，超挖和欠挖现象严重， 3 河北科技大学硕士学位论文 最终不能保证挖掘质量。 3 作业条件差 如图卜3 所示，截割悬臂位于掘进机正前方，司机座椅位于机身中后部，司机 视野有限，巷道断面的截割质量当然很难保证。截割断面质量如何，很大程度上取 决于司机的个人经验和手感。手动操作随机性大，引起误差大，工作效率低。 综上所述，掘进工作面的安全与效率问题成为行业关注的焦点，巷道掘进安全、 优质、省力、高效、舒适是发展方向，掘进机自动成形截割控制系统的研究应运而 生。 1 2 国内外研究现状 自动成形截割控制系统涉及的学科和内容相当广泛，包括控制理论、路径工艺、 计算机技术、传感器技术、通信技术、现场总线技术等。 1 2 1 国外研究现状 早在本世纪三十年代，德、苏、英、美等国就开始致力于煤矿巷道掘进机的研 制，国外早期掘进机操作回路通过操作安装在操作箱上的按钮或手把开关来控制交 流中间继电器然后通过继电器接点来控制主回路交流接触器。而可编程控制器( p l c ) 的应用使掘进机的控制技术和可靠性上了一个新台阶。 国外已形成掘进机系列产品的主要有奥地利的a m 系列，德国的s t m 系列，日本 的m r h 系列。这些公司掘进机水平基本上代表着国外悬臂式掘进机的技术现状，而 许多发达国家的新型掘进机电控系统( 包括t b m 隧道掘进机) ，除完成常规的控制以 外，还有遥控、程控功能，同时设有掘进断面自动控制和掘进定向功能，截割断面 轮廓尺寸显示，故障诊断 4 6 以及工况监测等，有实验室模拟、功能简述等 7 一l o 。 1 2 2 国内研究现状 查阅国内有关断面自动成形理论的学术论文。文献 7 1 1 1 2 对断面自动成形 的概念及研究内容进行了整体描述；文献 1 3 1 5 阐述了纵轴式掘进机断面成形控制 的基本理论，文献 1 6 1 7 进行了整体系统构思，讨论利用数字液压缸替代普通液 4 第l 章绪论 压缸用于截割头位置信号的检测。文献 1 8 2 0 建立了掘进机自动成形截割的数学模 型，为掘进机自动成形截割智能控制奠定了基础。 而我国着手于此项工作的主要有三一重工、佳木斯煤机、石家庄煤机，现把几 家的产品做一比较： 三一重工：曾在2 0 0 8 年申请专利“全自动遥控掘进机，全自动掘进机采用数 控技术与机器人技术，能自动定位，可实现无人驾驶，自动开采，在截割臂上升降 油缸及回转油缸加装位移传感器，通过采集这些传感器信号进行计算后即可知道掘 进机的运行姿态，用航天导航定位仪进行定位，但未见产品问世。 佳木斯煤机：为实现掘进机的全自动控制，采用嵌入式工业控制计算机( p c c ) 与可编程控制器( p l c ) 结合方式。系统组成原理框图如图卜4 所示。 少 图1 _ 4 系统组成原理框图 f 谚l - 4 廿l eg r a p g ho f s y 咖ms m l c t u 嵌入式工业控制计算机采用研华t p c 一1 0 7 0 。系统采用松下电工f p 型可编程控 制器，完成各电机的电流、工作电压、漏电闭锁、油缸行程、机身俯仰角、侧倾角 的检测。为实现煤巷断面掘进的自动控制，在主要的油缸内增加抗震动抗冲击等级 极强的直线位移传感器。目前在潞安集团王庄矿使用，有许多地方需要改进 综上所述，国内研究还停留在方案探讨初级阶段，理论研究都不是很深入，所 以这一课题研究对我国掘进机的发展具有积极的意义。 1 3项目研究意义 目前悬臂式掘进机在我国煤矿生产中得到广泛应用。随着煤矿开采能力不断提 高，掘进工作面的安全与效率成为行业关注的焦点，安全、优质、省力、高效、舒 5 河北科技大学硕士学位论文 适是巷道掘进发展方向。掘进机自动成形截割控制系统的研究已成为巷道掘进自动 化的关键技术可为研制全自动掘进机提供解决方案，为煤矿巷道掘进自动化奠定基 础。研究意义如下： 1 3 1 理论应用价值 本项目理论价值： 1 ) 提出巷道断面自动截割成形控制理论，为相关领域断面成形控制提供理论依 据。 2 ) 通过将先进控制技术运用于采掘设备，促进矿山机械自动化水平的整体提高。 为未来的煤矿井下少人甚至无人开采奠定基础。 1 3 2 实际应用价值 提高断面掘进质量，减少无用的掘进量和充填量，降低巷道掘进成本。 减轻司机劳动强度，保障掘进施工高效、安全。为实现煤矿井下工作面综掘自 动化提供借鉴，为未来实现煤炭的少人甚至无人开采奠定实践基础。 1 4 前景 课题最终成果可通过产业产品化转化为生产力，使研究研究成果转化为经济效 益，同时对煤炭行业其它设备也能起到借鉴作用。 6 第2 章掘进机截割头控制方法研究 第2 章掘进机截割头控制方法研究 研制截割头空间轨迹测控传感器装置，着重对垂直角度和水平回转角度进行研 发设计，并根据井下特殊工作环境测试，对角度传感器加装隔振装置，以保证检测 精度。 2 1 掘进机简介 本论文研究对象为e b z 一2 0 0 型悬臂式纵轴部分断面掘进机，可在坡度1 6 。 的半煤岩巷道中工作。悬臂式掘进机主要结构图分为： 1 、截割部又称截割机构，主要作用是破落煤岩。整个截割部通过升降油缸安 装在主机架上，在回转和升降两个液压缸的带动下，使整个截割部上、下、左、右 摆动，同时配合截割头的旋转，完成破落煤岩的动作，截割出任意形状断面的巷道。 2 、装运部又称装运机构，其主要作用是将截割部破落的煤岩拨到铲板中央的 刮板输送机上运走。 3 、行走部行走部由左右两个结构相同的履带组成，需要行走部工作时，液压 系统驱动两个液压马达，实现整个掘进机的行走。 4 、主机架包括前架、后架，为整个掘进机的整个骨架。截割部、装运部、行 走部等各部件均装于其上。 5 、后支撑通过销轴铰接连接到后架上，用于增加机器的稳定性，并使掘进机 配套转载机与掘进机的相对位置固定。 2 2 截割臂空间位置运动学分析 掘进机截割臂在空间某一位置，可以建立以截割臂与主机架铰接点q 直角坐标 系( q 一五墨z 1 ) ，见图2 一l 。截割头垂直面内上、下摆动角度由升降角度传感器确 定，对应截割实体z 坐标；水平面内左、右摆动角度由回转台双路测速传感器测量， 见图2 2 对应截割实体任意位置y 坐标，这两种运动学分析对于选取各种传感器有 一定指导作用 2 卜2 6 。 7 河北科技大学硕士学位论文 2 2 1 摆动机构工作分析 截割臂垂直摆动是由一对同步升降油缸完成。当升降油缸行程改变时，截割臂 将围绕垂直摆动中心( 截割臂与机架的铰接点处) 在垂直面内摆动。由此通过升降 油缸的伸缩可以方便地计算截割头在巷道断面上的高度。图2 1 为垂直摆动机构示 图。 叠篱曩囊名 枰涨台 霹警囊擎葛二”：d ，升降漩“j f 蛾檠 图2 1 掘进机垂直摆动机构示图 f i g 2 lt h e 踯l p ho f 刚i n gs n l i 曲鹏 截割臂水平摆动是依靠回转工作台回转来实现，当回转台左右水平摆动时，截 割臂作水平摆动。 2 2 2 截割头空间位置几何分析 截割头在空间位置用截割高度及回转位移表示： 截割高度用z 1 表示，截割臂垂直摆角用口表示。截割臂长度用l l 表示( 已知) ， 那么z 1 = l l s i n 口 回转位移用x 1 表示，截割臂回转摆角用表示。那么x 1 = l l c o s 2 3 截割头检测传感装置的选用 检测传感器是保证巷道断面自动成形的核心器件。由于煤矿环境的特殊性，要 求检测传感装置同时具有防爆、抗振性好、抗粉尘及油污、安装维修方便等特性。 2 3 1 截割臂垂直摆角 经过调研及综合比较，截割臂垂直摆角使用北京通磁伟业传感技术有限公司生 产的s m t 9 0 ( 一3 0 一+ 6 0 ) 倾角传感变送器，因e b z 2 0 0 掘进机工作时垂直摆角范围为( 一2 7 8 第2 章掘进机截割头控制方法研究 。一+ 4 4 。) ，故选用( 一3 0 。一+ 6 0 。) 范围传感器。工作电压d c l 2 v ，分辨率o 0 1 。， 测量角度为一3 0 。时对应传感器输出电压为l v ，角度为6 0 。时，传感器输出电压为 5 v ，所测量角度与输出电压之间呈严格线性关系。倾角传感器输出为模拟信号，需 要通过p l c 的扩展模块f x 2 n 一4 a d 模块与p l c 连接。 安装方式：考虑抗震性及掘进机的实际状况，通过螺旋联结将其安装在掘进机 悬臂侧面，表面用黄铜外壳包围。 2 3 2 截割臂水平摆角 经过比较，考虑成本及维修方便等综合因素，选用北京通磁伟业传感技术有限 公司的双路测速传感器( w 1 8 l d 一8 0 一5 ) 用于测量悬臂回转角度，见图2 2 。触发材料 为钢铁齿条，工作电压d c 5 2 8 v ，输出信号为有相位差的方波信号，响应频率为 0 1 0 k h z ，齿宽要求大于4 咖。当双路测速传感器感应到齿时，输出2 4 v 高电平，转过 该齿处于齿槽时，输出为低电平小于o 3 v 。双路测速传感器输出为高低电平的脉冲 信号，输出波形见图2 3 。 图2 2 双路测速传感器外形 f i g 2 - 2t i l es h 印eo fd o u b l ec h a 彻e is p e e ds e n s o r 9 河北科技大学硕士学位论文 囊钯敞- 燃动 矗辘转厦向转动 茁抟时劈精 相藩露e 桕妒 。广翟一 蛳1 一门 叫ul 一 ： 一t 一：r 1 ，1 吼訾，一 爱捌擅衢。 嘏缀先8 囊蚓 图2 3 双路测速传感器输出波形 f 唔2 - 3t i i eo u t p u tw w e f 0 mo f d o u b l cc h a e ls p e e ds 吼s o r 通过对a 相脉冲计数，判断悬臂的回转角度，通过比较a 、b 两相的相位差，判 断悬臂的运动方向。双路测速传感器输出脉冲信号，可以与p l c 直接通信，无须经 过a d 转换模块。 安装方式：按商讨要求安装两套双路测速传感器，安装在悬臂回转台内部，回 转台内侧安装两套齿，每套3 2 个齿，上下错开一个齿，感应齿条齿宽4 姗，对应悬 臂回转角度1 。 2 4 巷道断面截割工艺流程的设定 因大多数巷道截割时是按矩形轨迹进行截割，所以本次工艺流程确定时是按矩 形进行考虑，截割工艺是按照扫底、断面截割、刷帮的工序完成。路径如图2 4 所 示： l o 第2 章掘进机截割头控制方法研究 2 4 1 扫底 一 + 一 、 e ， (， 一 ，、 、 入 一 、 d o l 专 ( o l ， o0 2 一、 图2 4 截割路径 f 嘻2 - 4c l i p p i n g p a m g f c d b 1 直接实现截割臂左右运行的控制过程，按图2 4 所示扫底路径为o 一0 2 一a l a 0 。 该过程只有水平油缸工作，通过选择操作箱不同的转换开关和启动开关改变切割头 运动方向。 2 4 2 断面成形 设切割头垂直切割进刀间距d 值，按图2 4 所示沿a o a b c d e f g h 路线截割 2 4 3 刷帮 断面成形控制程序执行完成后直接执行刷帮程序，按图2 4 所示完成h g b a d o ，截割头最终停留到刷帮初始位置o ，到此整个自动断面切割过程完成。 2 4 4 调试 现场调试时按半自动和全自动两种方式调试： 半自动：按“扫底 按钮，执行扫底动作；按“断面成形 按钮，执行断面成 1 1 河北科技大学硕士学位论文 形部分的动作；按“刷帮按钮，进行刷帮动作。 全自动：只按一下“断面成形 按钮，顺序完成扫底、断面成形、刷帮三个连 续动作。 1 2 第3 章掘进机巷道断面自动成形硬件设计 第3 章掘进机巷道断面自动成形硬件设计 本章主要介绍巷道断面自动成形的控制策略和硬件配置以及电路的实现。 3 1 巷道断面自动成形控制策略的制定 悬臂式掘进机截割头在空间的截割轨迹决定截割断面形状。由悬臂相对于掘进 机机身的垂直摆动与水平摆动来实现。截割臂通过一定工艺过程循环作业，最后截 割出所需断面。 通过检测截割头空间位置，经过计算得出截割头空间位置坐标，利用p l c 控制 截割头按设计工艺路径准确截割，获得规整断面，避免了超挖和欠挖现象。 3 2 断面自动成形控制系统硬件设计 3 2 1 硬件系统 该系统控制核心为p l c ，同时包括扩展模块，输入包括开关量和模拟量，开关量 包括按钮信号，双路测速传感器信号，各种故障信号，模拟量包括各种传感器信号， 包括电压检测、电机电流检测、角度传感器信号等。执行机构包括电磁阀的比例放 大器、负载敏感式比例多路换向阀组， 控制器及其扩展模块 可编程控制器p l c 本项目的核心硬件为三菱f x 2 n 一8 0 m r e s u l 型p l c 。包括c p u 、存储器、i o 接 口和系统总线四大部分。p l c 的使用通过i o 接口电路实现，包括4 0 点输入( x 3 0 x 3 7 ) 及4 0 点输出( y 3 0 y 3 7 ) ；另外还有r s 4 2 2 接口及扩展输出接口。 本论文控制系统中程序编制是采用采用梯形图作为编程语言，程序的下载是通 过p l c 上的8 针4 2 2 编程口，编程软件采用g x d e v e l o p e r 软件，该软件可以实现程 序的编制、修改、下载等功能，另外也可以实现离线仿真控制。 冷a d 模块 本控制系统中采用f x 2 n 一4 a d 型模拟量输入模块，共计3 个4 a d 模块与p l c 主 机相连。此模块有四个输入通道，其功能是时把接收到的模拟信号转换为数字信号。 f x 2 n 一4 a d 最大分辨率1 2 位。通过改变4 a d 的不同接线方式来选接电压或电流输入信 号，可选用的模拟信号范围为一l o 1 0 v ( 分辨率5 m v ) 或4 2 0 m a 一2 0 2 0 m a ( 分辨率 2 0 a ) 。f ) ( 2 n 一4 a d 的功耗为5 v 3 0 m a 。使用f r o m t o 指令进行数据传输 2 7 。 13 河北科技大学硕士学位论文 令d a 模块 本控制系统中采用f x 2 n 一2 d a 型d a 模拟输出模块，本系统配置了1 个2 d a 与 4 a d 模块相连。此模块有两个通道，可接受输出为0 5 v 或o 1 0 v 电压( 分辨率为 2 5 m v ) 或4 、2 0 m a 电流信号( 分辨率为4 a ) ，电压电流输出可混合使用。该模块 占用8 个i 0 点，在下面程序举例中可以看到它的实际用法。使用f r o m t 0 指令实 现与p l c 的数据传输 2 8 。该模块输出信号作为控制信号直接输入电磁的放大板。 比例放大器 比例放大器又称放大板，接线图见3 1 二1 ；螨灿，二，l | 电磁龇 ；i 乙电嚣霉，ii 乏磁铁戤肃：姜：o 电磁蜘；_ l 毫磁铁戤 万谖蓉慧竺万 溉耘翻 a 44 4 觚秘嘲c j 辱一髀豫硼函j 万一电苎毙一万 丽名动1万启动2 d 1 8ic 8i 万撇去徐1l万镑凌去徐2l 薏翥差输出 a 2 0lc 2 召l 镭遗一捌函 万u ”骑鹱 j 万u 2 “转换 j 万+ 1 列( + 5 v ) 镌压爱r 一 a 、，( 一稳压 j 可换向的 a 2 8 a 3 0 a 3 2 霞之囊 电压 设定点 电压 图3 1 比例放大器接线图 f i g 3 1t 1 1 ew i r i n gd i a g m mo f 8 l c 锄叩l i f i 口 比例放大器主要用于自动控制系统中电液比例阀的控制。此放大器有两个互相 独立运行的比例放大器，放大器可同时控制3 位3 通或3 位4 通比例阀。 1 4 + 十 一 飞；，；，j 0 2 缘 眨 殴 融 三二陂 + + 一 1 ；，；j j 2 e e r u u u 第3 章掘进机巷道断面自动成形硬件设计 比例放大器主要特点为：供电电压范围宽，用1 2 v d c 和2 4 v d c 电源供电均可， 本系统使用d c 2 4 v 供电；控制信号可以使用5 v d c 或和1 0 v d c 两种电压信号( 来自 2 d a 模块) ，比例放大器面板上设有多个精密多圈电位器，通过调节调节电位器可以 设定比例放大器的开启电流、最大输出电流，本次设定开启电流为3 0 0 m a ，最大电流 为6 0 0 m a 。另外还可以设定电流上升和下降坡时间，及控制油缸的启动时间和制动时 间；本次设定为2 s 。比例放大器保护功能完善，同时具有接地短路和输出短路保护 功能以及面板故障指示灯。 3 2 2 电气操作箱 巷道断面自动截割成形控制是通过操作电气操作箱的按钮操作，操作箱为隔爆 兼本质安全型电气设备，其防爆壳用钢板焊接成，壳体分为隔爆腔和本安腔。显示 器安装在隔爆腔中，通过7 芯屏蔽电缆与控制箱相连，其供电电压为d c 2 4 v ( 来自于 控制箱内的开关电源k l 、k 2 ) 。显示器起监视作用，通过它可以了解掘进机的工作状 况、故障以及电动机的一些参数等。控制按钮安装在本安腔，通过1 9 芯屏蔽电缆与 控制箱相连，供电电压为d c l 2 v ( 来自于控制箱内的本安电源b l 、b 2 ) 。 说明：复位键相当于第二功能键，复位键拔出，“上移增加 、“下移减小、“取 消复位”三个按钮分别完成上移、下移、取消功能：复位键按下，“上移增加 、“下 移减小 、“取消复位 三个按钮分别完成实现增加、减小、复位功能。 3 3 电气电路的设计 本控制系统与普通掘进机电控区别在于其控制核心扩展了功能模块，外围电路 增加各种检测传感器，普通比例阀改为电液比例阀，同时对程序进行修改。主电路 见图3 2 ，控制电路见图3 3 、3 4 、3 5 所示 1 5 河北科技大学硕士学位论文 l c l i 盯 iti i u 】 l 】 i e 1 耋r n l 量卜- n e 计 一生卜- i i 乏 _ - _ j 差卜1 i - - 1i 卜蛆 e _ - - - _骨孙_ _书旷l i _ - 4 卜n 匠： 趣 ii 1呲6 j 【m i i i眦i i i 1 m f i 1f - 1 1 l l删6 j【 丑广1 飞n 肛 - l j j【 1 i 坤l z u 略 j 。、 卜 i u l 司 一 勋，- 畦 哆 l _ bi l ，1 1 i | l m | l 】t 讫 仉 ) l m f ，翳、i l 辨f ，啊 j u i l u 玎3 ，i 舡小l u ，、 硼n1 j 融 f ：! p(厂，_ 彩 一 v i ；刊i 茎l 区薹鞠 曲j i c 电机n o 【1 盏割电机“口x - ，2 0 0 佴二逗电机 雀抒电机 图3 2 主电路图 f 培3 2 廿l ed i a g 姗o f m a i l lc i r c u i t 玎 1 2 5 n 钮 n 毛1 l 第3 章掘进机巷道断面自动成形硬件设计 “1 i 。it 。 i 开姜毫l + l + t 士- 囊 1i- =t 2 叫。i h 奠 锚不运抒 蕾膏2 2 l i：j 蔓重 + 2 盯；l ，：j 1 木事电- ；m ： 芑弋i 圳。 i同 l 里 2 l 竺 l h 科【ii7 i l l 7ili 争叫陛 n 2 i u ll n llli 一 l t j l t j l t j l t j 箑 、i i 1 7 j i ii i 1 一1 7 l 】膏关t + l n l - ，”1 n ，p l f 。 0 翻佩 m m j 叫 i 2 i 置 毫圭 - j ，n - i 姗 ， ；一 耵t rn u u n ， u 酗龠 i 7 - 丫丫 图3 3 控制电路 f i g 3 n l d i a g r 锄o f c o n 仃d d r c u i 图3 4 控制电路 f i 3 md i a g 豫o f c o l l 仃oc i 嘲i 1 河北科技大学硕士学位论文 墨2 ll in ul ，l i s p npm m 1 1 2 卜 l l 明， i2i ，t l i lni ， t 膏 ： - 压lll量并 蕾il l ii 备l tl i量 一 - 一l 鼍l l 置置置 ili 匿篓习匡筮i l 鳓型趁j 州蚺州牛h 咩纠 毗1 1i 啊hmnl i 删- 矗i - ； 如i ；五 3 3 1 主回路 图3 5 控制电路3 f i g 3 5 廿i ed i a g 舢o f c o f i t r o lc i r c i l i t3 离瀚 电气控制系统的主回路是由隔离换向开关q s ，交流真空接触器脚1 l ( m 5 ，过压 保护器f v l f v 5 ，电动机m l m 5 组成。 a 、b 、c 为三相电源，合上隔离换向开关，i ( m 1 吸合，油泵电动机运转；当油泵 电动机已启动，k m 2 或i ( m 3 吸合，切割电动机开始运转；酬4 吸合二运电动机运转：同 样跚5 或l ( m 6 吸合一运电动机运转： 回路中的电流变送器是把电动机的工作电流转变为标准信号( o 一5 v ) ，用于电动 机电流显示及过载、短路、缺相保护。 1 8 第3 章掘进机巷道断面自动成形硬件设计 f v 卜f v 5 吸收主回路过电压。 3 3 2 控制电源 高压侧经高压熔断器f 1 、f 2 给控制变压器t 1 提供电源，t 1 输出的a c 2 2 0 v 电源 供给中间继电器、交流接触器线圈、本质安全型电源。p l c 、开关电源工作电源范 围为a c 8 5 2 6 4 v ，t 1 输出的a c l 7 0 v 为p l c 、开关电源提供电源。 3 3 3 控制回路 控制回路是以p l c 为核心，其输入输出包括： 开关量输入信号：按钮信号、双路测速传感器信号( 经过固态继电器的隔离) 、 故障及保护信号； 模拟量输入信号：电机电流信号、供电电压信号( d c 0 5 v ) 、角度信号、位移信 号( 经过隔离栅隔离) ； 开关量输出信号：其中k a 卜k a 7 为电机启停控制，k a 8 一k a l 2 为电机漏电闭锁保 护、k a l 3 一k a l 8 为电液比例阀控制。 模拟量输出信号：通过e v 2 2 k 2 一1 2 2 4 比例放大器，控制截割臂及履带行走动作。 另外控制回路的集成保护器阴9 对照明回路进行漏电监测，b h 9 还负责检测电机 漏电和温度情况，当电机绝缘值小于一定程度时起到保护作用，当电机超温后也会 做出相应的保护动作。 按紧急停止按钮( 操作箱或机身右前方) ，闭锁停车。支护时，按下机身左前方 的截割停止按钮，截割闭锁。 1 9 河北科技大学硕士学位论文 第4 章掘进机巷道断面自动成形软件实现 以矩形断面为例( 煤矿井下截割以矩形为多) ，说明程序控制思路。 4 1 显示屏程序编制 显示屏选用日本富士u g 2 2 1 h _ s r 4 显示屏，5 7 英寸s t n 彩色l c d1 6 色留言 板3 2 0 ，i c 2 4 0 。可直接与富士、三菱、欧姆龙、松下、西门子a b 、g e 等3 0 多个 厂家的1 0 0 多种p l c 通讯。开发软件功能强大，可随意开发定制，且方便易用；可 以在线编程调试，无须插拔，具有仿真功能，无须p l c 即可调试程序快速修改画面 本系统共设置了四屏显示菜单，通过翻屏按键进行显示屏的切换，指示灯正常状 态为绿色，动作状态为红色，具体阐述如下： 主画面见图4 1 自动成形过程中，指示灯指示截割臂上、下、左、右的极限位置；数高度h 及宽度w 实时显示当前截割的高度和宽度；显示屏同时显示截割电流及截割电机 高、低速状态。 控制参数设定屏见图4 2 截割开始前，需要对本次截割的高度、宽度、截割步距进行设定。按“翻屏 键至第二屏，按“上移增加 、“下移减少键到需要修改项，当修改项指示灯为 红色时，代表可以修改，此时按下“复选 键，并通过“上移增加、“下移减少 修改该项数值，拔出“复选 按键，完成保存修改。 为保证安全，断面尺寸修改范围为： 高度h ：1 6 0 0 _ - 4 1 0 0 唧； 宽度b ：2 2 0 0 4 7 0 0 咖； 截割距d ：2 0 0 一1 0 0 0 姗； 第4 章掘进机巷道断面自动成形软件实现 图4 1 主画面图 f i g 4 - lt i l em a i nd i a g r a m 图4 2 控制参数设定屏 f i g 舢2c o n t r o ip a 姗e t e rs e ts c r e e n 4 2p l c 程序编制 p l c 程序编制主要着重在以下几点： 制定程序工艺流程图 对p l c 内部地址进行分配 对关键步骤的处理及计算 按图4 3 为的工艺流程图确定程序的工艺流程，见图4 3 。p l c 程序软件是采用 三菱公司设计的s w 7 d 5 c g p p w c 编写的梯形图程序。 2 1 河北科技大学硕士学位论文 图4 _ 3 程序控制框图 f i g 4 3n l eg m p ho f p m g 豫mc o n n o l 地址分配时综合考虑各方面因素，对每一部分功能进行地址分配，同时考虑地 址不能重合。下面是对时间继电器及数据寄存器的分配举例： 时间继电器 t 2 3 0 ：启动断面程序中的回转程序，驱动m 1 3 0 0 t 2 3 l ：启动m 1 6 6 0 ，扫底第一刀向右 t 2 3 2 ：启动m 1 6 7 0 ，扫底第二刀向右 t 2 3 3 ：启动m 1 6 8 0 ，回转第二刀向左 t 2 3 4 ：扫底回原点，延时2 秒，扫底结束 t 2 3 5 ：扫底第一刀向左结束后，启动m 1 6 1 0 使炮头下降 t 2 3 6 ：扫底第一刀向右结束后，启动m 1 6 2 0 使炮头上升 t 2 3 7 ：扫底第二刀向右结束后，启动m 1 6 3 0 使炮头下降 t 2 3 8 ：扫底第二刀向左结束后，启动m 1 6 4 0 使炮头上升回原点 2 2 第4 章掘进机巷道断面自动成形软件实现 t 2 3 9 ：扫底第一刀向左，用于区间判断。使区间判断延时，避免出错。 数据寄存器 d 3 0 0 ：读取a d 的第一通道 d 3 0 l ：读取a d 的第二通道 d 3 0 6 ：d 3 0 1 的浮点数 d 7 0 0 ：读取a d 的第三通道 d 6 0 0 ：写入d a ，对应放大板的电流，升降用 d 6 0 2 ：写入d a ，对应放大板的电流，回转用 关键步骤的编制及计算 例如用双路测速传感器对回转举例进行计算，而每一个脉冲即一个分辨率，对 应一个回转举例，对应p l c 内部即用到计数器，见图4 4 下面为举例： 图4 - 4 双路测速传感器程序 f i g 4 4t l l ep m g m mo f d o u b i es p 优d n s 凹 本程序最终是要求输出动作，比如炮头及履带的模拟量输出，读模拟量输出见 图4 5 ： l t l 7 l t 7 7 河北科技大学硕士学位论文 图4 5 模拟量输出 f i g 4 _ 5 l co i 印i i to f 锄a l o g 关键步骤数据计算见图4 6 ， d 6 0 0 k 4 矗l t 0 0 k 4 1 1 4 0 0x l 甚4i l 助 x l i l 4 0 8i l h 0 d 6 d 2l 【4 疆1 4 5 0 1 4 1 4 5 01 1 如 2 0 6 6 0 5 0 第4 章掘进机巷道断面自动成形软件实现 图4 - 6 关键步骤的数据计算 f i g “m c d a l ac o m p 咖o f k c y s t c p d 3 0 ld 3 0 6 k 4 6 6d 4 口0 d 3 4 dd 4 口2 x 0i “0 d d 4 0 2d 4 0 2 d m 2d 4 鹏 m 弧 m 1 0 d 4 l dd 4 1 2 k 1 7 5 ad 4 3 0 河北科技大学硕士学位论文 第5 章实验及结果分析 5 1 实验室模拟 5 1 1 实验室调试装置搭建 根据系统总体控制框图，参照主要硬件产品说明书，并根据工厂其它普通型掘 进机的电控设计，最后确定输入输出总结如表5 1 所示。 表5 1 系统所用硬件 t a b 5 1t 1 1 eh a r d w a 化o f s y s t 锄 序号名称及规格型号输入偷出 可编程控制器p l c电源：a c 2 2 0 v ，内部可以提供2 4 v 1 f x 2 n - 8 0 m r e s ，l l直流电压供4 a d 模块使用 a d 模块输入：1 0 1 0 v 2 f x 2 n - 4 a d输出：直接插接p l c 扩展口 d a 模块输入：直接插接p l c 扩展口 3 f x 2 n 一2 d a 输出： o 1 0 v 输出扩展模块直接插接到p l c 扩展口 4 f x 2 n 16 e y r 为继电器输出 p s l 型负载敏感式比例多路换向阀( 德 国哈威) p s l 3 1 1 6 0 3 3 2 h 4 0 4 0 e a 3 2 h 4 0 ，4 0 e a输入：2 7 0 6 3 0 r n a 一3 2 h 4 0 ，4 0 e a6 3 0 n 认对应阀口全部开启 5 - 3l h 4 0 4 0 a - 31 h 4 0 ，4 0 a 3 2 h 4 0 ，4 0 a e 1 g 2 4 e x 1 0 放大板 输入：d c 2 4 v 或d c l 2 v 6 e v 2 2 l q 12 2 4 电源模块供电 触摸屏输入：d c 2 4 v 7 u g 2 21 h s c 4日本富士产品 第4 章掘进机巷道断面自动成形软件实现 5 1 2 实验室模拟实验步骤 l 、通电进行硬件部分检测 在实验室把电控箱及操作箱连接好，同时把电流发生器接入电控箱，用于模拟 电机电流； 把外接急停及温度保护等提前短接，停电状态下，用万用表检测电源是否有短 路现象，确认关键元件的供电电源不会接错，尤其不会接入高电压； 确认无误后对电控箱反接a c 2 2 0 v 电压( 正常供电a c l l 4 0 v 危险) ，观察p l c 工 作指示灯； 若一切正常，顺序操作操作箱的油泵、截割、二运、锚杆电机启停按钮，观察 电控箱接触器吸合是否正常； 2 、对单个传感器进行监测 外接测速传感器，用螺丝刀以一定频率感应传感器，用电脑监测x o 、x 1 及计 数器c 0 内的数值是否变化 外接角度传感器，转动传感器，观察d 3 0 0 及d 3 0 1 内的数值是否变化。传感器 输出d c 卜5 v ，对应内部d 值在4 0 0 一2 0 0 0 之内变化。 给定电流发生器，观察d 2 0 一d 2 8 的数值是否变化。传感器输出d c o 卜5 v ，对应内 部d 值在0 4 0 0 2 0 0 0 之内变化。 3 、用假负载模拟电磁阀，模拟单步自动 用3 0 q 2 0 w 电阻模拟比例电磁阀，接入电控箱，执行自动程序，用螺丝刀以一 定频率感应传感器，监测电阻电流，不超过8 0 0 m a 。 4 、 所有传感器及假负载接好，进行自动联调。 几个人配合，同时模拟角度及速度传感器，观察显示屏参数及电脑监控画面， 把“断面成形“扫底 “刷帮程序均执行准确无误。 5 2 井上模拟 把整个电控系统安装到掘进机上，见图5 2 ，通电a c l l 4 0 v 电压，顺序执行实验 室步骤进行联调，检查精度。检查精度时用重锤悬挂于炮头正中心，起始位置与地 面做十字表示，执行完一个自动轮回后，检查精度，小于4 0 姗。 河北科技大学硕士学位论文 图5 - 2 掘进机整车 f i g 5 2m em a 曲e a d c r 具体操作规程如下： ( 1 ) 调整截割初始位置：截割开始前，首先需要调整初始截割位置。操作水平 回转及垂直升降油缸手柄，使事先实现做好的上下标志杆对齐，截割头中心位置处 于机身水平中间。 ( 2 ) 控制参数设定：截割开始前，需要调整截割的高度、宽度、步距。直接 按“上移增加”、“下移减少 按键到所需修改项，当修改项显示为红色时，按下 “复选按键，通过“上移增加”、“下移减少 即可进行该项数值的修改，修改 完后，拔出“复选 完成保存修改。本次设定断面高度4 0 0 0 舳，宽度3 0 0 0 m m ，步距 5 0 0 硼。修改完参数后进行断面形状的设