煤矿智能掘进锚护设备锚护电液控制研究

王刚1,，赵旭2

摘要：本文研究了煤矿智能掘进系统，提出系统设计和智能化控制方案，实现对掘进工作面的智能化布局，掘进设备状态实时上传检测、远程通讯、远程控制和视频监控的功能。系统硬件结构主要是井下掘进工作面设备和集控中心及地面调度中心，软件构成主要为各设备控制器及上位机软件，控制器采用软件逻辑控制程序，上位机软件采用3D软件实现智能化控制和远程显示方案。

关键词：智能掘进；锚护设备；电液控制系统

1.1 设计操作说明

改造机载锚杆钻机锚护电液控制系统，电液控制系统对电磁阀动作进行分布式集中控制。控制方式分本机控制和遥控控制两种，系统响应时间应小于200ms；控制阀组数量应大于7组。电液控制系统可根据工况对钻孔的旋转速度、旋转压力、升降速度和升降压力进行实时调节，采用显示屏对主要数据和故障情况进行显示，机载锚杆钻机锚护作业电液控制步骤如下：

（1）旋转AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，实现钻箱正向转（高速）且保持。

（2）进给AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，实现钻箱进给上升（速度线性由0升到中速，时间1s）且保持，同时开启进给压力阀。要求：若已按下进给AUTO或启动AUTO后，在按进给上升，此时进给速度高速且保持，在按进给AUTO，进给速度降为中速。

（3）除尘START：操作按键，驱动信号输出并保持，实现除尘风机或者水阀动作且保持，在按停止。

（4）辅助：操作按键，驱动信号输出并保持，上升进给速度减半同时进给压力阀开启，在按进给速度恢复。

（5）支撑柱升降：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现支撑柱上升或下降。

（6）进给升降：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现进给上升（高速，同时开启进给压力阀）或下降高速。要求：若已按下进给AUTO或启动AUTO后，在按进给上升，此时进给速度高速且保持。

（7）钻箱正反转：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻箱正转或反转（慢速=1/5快速），同时开启旋转压力阀。

（8）夹钎开合：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现夹钎松开或夹紧；

（9）急停：清除操作面板和遥控器上所有电控点的输出。

（10）启动AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，输出并顺序启动除尘、旋转（高速）和进给（速度线性由0升到中速，时间1s），同时开启进给压力阀，动作保持，上行程到位后停止动作，并开始下降，下行程到位后钻孔动作完成。

（11）锚固AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，输出进给上升（中速），上行程到位后，顺序启动旋转（高速）、进给（最慢速）搅拌4s，搅拌结束20s后，旋转（慢速，且旋转压力阀开启）和进给（慢速，且进给压力阀开启）紧固，旋转压力到设定值后停止，钻箱进给下降，下行程到位后整个锚护动作完成。

（12）停止STOP：用于停止旋转AUTO、进给AUTO、启动AUTO和锚固AUTO动作。

（13）侧移伸缩：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现滑轨伸出或缩回。

（14）倾斜左右：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻架左右摆动。

（15）倾斜前后：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻架前后摆动。

1.2  技术要求

1.2.1 系统共10组阀，均为比例阀，其中第1-6共6组阀（夹钎、侧移、左右摆动、前后摆动、支撑柱、旋流器）均为双向控制，使用时暂定当开关阀使用（具备实现比例控制的功能扩展）。第7-10共4组阀（进给、旋转、进给压力阀、旋转压力阀），2组(进给和旋转)双向控制、2组（进给压力阀和旋转压力阀）单向控制，使用时都要求比例可调。

1.2.2 多预留出1组比例阀（双向控制）的控制点。

1.2.3 系统中共4组传感器，其中位移传感器1组（进给到顶反馈），压力传感器3组（旋转压力、进给压力、系统压力（硬件可兼容转速传感器））。

1.2.4 操作要求：要求使用操作面板和手持式遥控器操作，且按键要耐用不易损坏，按键面板要进行防护不易进灰尘，插头要做到可靠的防松。

1.2.5 通信方式：CAN总线。

1.2.6 具有数据传输。

1.2.7 电控系统具有控制电压型控制阀或电流型控制阀选项。

1.3  操作面板控制功能要求

操作面板具有钻臂全部功能的按键信号输出和LCD 显示内容。

1.3.1 按键功能

（1）旋转AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，实现钻箱正向转（高速）且保持。

（2）进给AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，实现钻箱进给上升（速度线性由0升到中速，时间1s）且保持，同时开启进给压力阀。要求：若已按下进给AUTO或启动AUTO后，在按进给上升，此时进给速度高速且保持，在按进给AUTO，进给速度降为中速。

（3）除尘START：操作按键，驱动信号输出并保持，实现除尘风机或者水阀动作且保持，在按停止。

（4）辅助：操作按键，驱动信号输出并保持，上升进给速度减半同时进给压力阀开启，在按进给速度恢复。

（5）支撑柱升降 ：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现支撑柱上升或下降。

（6）进给升降：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现进给上升（高速，同时开启进给压力阀）或下降高速。要求：若已按下进给AUTO或启动AUTO后，在按进给上升，此时进给速度高速且保持。

（7）钻箱正反转 ：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻箱正转或反转（慢速=1/5快速），同时开启旋转压力阀。

（8）夹钎开合：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现夹钎松开或夹紧；

（9）急停：清除操作面板和遥控器上所有电控点的输出。

（10）启动AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，输出并顺序启动除尘、旋转（高速）和进给（速度线性由0升到中速，时间1s），同时开启进给压力阀，动作保持，上行程到位后停止动作，并开始下降，下行程到位后钻孔动作完成。

（11）锚固AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，输出进给上升（中速），上行程到位后，顺序启动旋转（高速）、进给（最慢速）搅拌4s，搅拌结束20s后，旋转（慢速，且旋转压力阀开启）和进给（慢速，且进给压力阀开启）紧固，旋转压力到设定值后停止，钻箱进给下降，下行程到位后整个锚护动作完成。

（12）停止STOP：用于停止旋转AUTO、进给AUTO、启动AUTO和锚固AUTO动作。

（13）侧移伸缩 ：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现滑轨伸出或缩回。

（14）倾斜左右：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻架左右摆动。

（15）倾斜前后：操作按键，驱动信号输出但不保持，实现钻架前后摆动。

1.3.2 系统状态显示

（1）显示日期、程序运行时间和通信状态。

（2）显示动作内容。

（3）显示系统动作压力。

（4）显示故障提示。

1.4 手持式遥控器控制功能要求

手持式遥控器（8个按键），用于钻臂钻孔功能的常用功能信号输出。

1.4.1 按键功能

旋转按钮1/2/3：操作按钮选择1/2/3号钻架用遥控器操作，且可与本机上的操作面板同时操作，相互之间无闭锁。

说明：旋转的2个速度按键不保持，松开按键动作即停止。但是如果按下旋转AUTO或启动AUTO按钮后自动钻孔动作开始后，在按这2个旋转速度按键就可以保持，且相互之间可以随意切换。

（2）旋转低速：操作按键，驱动信号输出但不保持，对应转速低，约100r/min，同时开启旋转压力阀。

（3）旋转高速：操作按键，驱动信号输出但不保持，对应转速高，约600r/min。

说明：进给的2个速度按键不保持，松开按键动作即停止。但是如果按下进给AUTO或启动AUTO按钮后自动进给动作开始后，在按这2个进给速度按键就可以保持，且相互之间可以随意切换。

（4）进给低速：操作按键，驱动信号输出但不保持，对应进给速度低，同时开启进给压力阀。

（5）进给高速：操作按键，驱动信号输出但不保持，对应进给速度高，同时开启进给压力阀。

（6）进给下降：操作按键，驱动信号输出但不保持，对应进给速度高速。

（7）启动AUTO：操作按键，驱动信号输出并保持，输出并顺序启动除尘、旋转（高速）和进给（速度线性由0升到中速，时间1s），同时开启进给压力阀，动作保持，上行程到位后停止动作，并开始下降，下行程到位后钻孔动作完成。

（8）急停：所有操作面板和遥控器上电控输出点清除。

（9）辅助：操作按键，驱动信号输出并保持，对应进给上升的速度相应降半。

1.4.2 系统状态显示

每个旋钮和按键对应有动作状态信号灯，动作操作时信号灯亮，动作不操作时信号灯不亮。