新型分布式电液控制自移机尾的研发.pdf

第44卷第3期2023年6 月李洋，闫建伟，刘震.新型分布式电液控制自移机尾的研发J.煤矿机电,2 0 2 3，44（3）：12-15.doi:10.16545/ki.cmet.2023.03.003煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical TechnologyVol.44 No.3Jun.2023新型分布式电液控制自移机尾的研发李洋,闫建伟,刘震（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏银川7 50 0 0 1）扫码移动阅读摘要：为了解决自移机尾液压管路繁杂、智能化水平低、操作便利性差等问题，研发了一种新型的分布式电液控制自移机尾。提出在机头和机尾分别放置液压阀及本安型控制器，并在设备上安装位移传感器、倾角传感器，有效地简化了系统液压管路，实现了设备的手动自动一体化操作、机身自动调平、自动推移等功能，有效提升了设备的智能化水平及操作效率。关键词：分布式电液控制；自移机尾；自动推移；自动调平中图分类号：TD528Research and Development of A New DistributedElectro-hydraulic Control Self Moving Machine Tail文献标志码：B文章编号：10 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 12-0 4LI Yang,YAN Jianwei,LIU Zhen(Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co.,Ltd.,Yinchuan 750001,China)Abstract:In order to solve the problems of complex hydraulic pipelines,low intelligence level,and pooroperation convenience of the self moving machine tail,a new type of distributed electro-hydraulic control selfmoving machine tail has been developed.It was proposed to place hydraulic valves and intrinsically safe controllersat the head and tail of the machine,and install displacement sensors and inclination sensors on the equipment,effectively simplify the hydraulic pipelines of the system,achieve functions such as manual and automatic integratedoperation,automatic leveling of the body,and automatic pushing of the equipment,effectively improve theintelligent level and operational efficiency of the equipment.Keywords:distributed electro-hydraulic control;self moving machine tail;automatic pushing;automatic leveling本文对分布式电液控制自移机尾进行研究，意0引言在解决液压管路复杂、智能化水平不高的问题，主要煤矿智能化是适应现代工业技术革命发展趋研究内容包括：整体结构方案研究，矿用本安型控制势、保障国家能源安全、实现煤炭工业高质量发展的器平台研究，自动推移动作流程规划，系统姿态调平核心技术支撑。经过改革开放40 多年的创新发展，算法研究等。我国煤矿实现了从普通机械化、综合机械化到自动1整体结构方案化的跨越，并开始向智能化迈进，为我国经济社会发展提供了可靠的能源保障。矿用自移机尾属于综采工作面井下顺槽的重要设备之一，目前其自动化水平已经明显提升，但仍然存在着液压系统管路较多、设备运行过程中容易破损、故障排查困难、智能化水平低等问题。*宁夏回族自治区重点研发计划一般项目资助（2 0 19 ZZQGSYBYF00）传统型式及电液控型式的自移机尾一直由集中式的液压阀来控制,存在着液压管路故障排查不便，智能化水平不高的问题。针对此问题，本文研发了集成本安型控制器、位移传感器、倾角传感器及电液阀等的新型分布式电液控制自移机尾，可大幅度简2023年第3期化管路，同时实现了手动自动一体化操作、一键自动抬高、自动侧移、自动推移、自动调平以及姿态记忆等功能。电液控制自移机尾整体结构如图1所示，它由机头架、中间段、机尾架、控制器平台、电液先导阀、抬高缸位移传感器、侧移缸位移传感器、推移缸位移传感器以及倾角传感器等组成，中间架连接了机头架与机尾架，滑动小车连接转载机与推移油缸。转载机向前推移时，滑动小车在轨道上行进，当滑动小车到达轨道尽头时，推移油缸以滑动小车为支点，向前推移。控制器平台和电液阀分别位于设备的机头侧和机尾侧。4个抬高缸、2 个侧移缸及推移缸的位置配备了位移传感器，倾角传感器位于靠近机尾侧的位置。12-11101-机尾电液阀；2-机尾控制器；3-滑动小车；4-机头电液阀；5-机头控制器；6-平面两轴倾角传感器；7-机头抬高缸；8-机头滑靴;9-推移油缸;10-机尾滑靴；11机尾抬高缸。图1分布式电液控制自移机尾整体结构电气控制系统架构如图2 所示。设备电气控制系统由控制器、倾角传感器、压力传感器、位移传感器等组成。2 个控制器平台分布式放置，两者之间通过CAN进行信息通信。分布式放置有利于传感器就近连接，有效缩短了信号的传输距离，可防止信号干扰。位于自移机尾机头尾两侧的位移、压力、倾角传感器就近接人2 台控制器，分别用来感知油缸的位置、压力状态、自移机尾机身的倾角状态等，为系统的自动推移、自动调平提供感知数据支撑。位移力倾角控制器阀组图2 电气控制系统架构图液压系统架构图如图3所示。设备液压系统由电液控阀组、液压管路及油缸组成。电液阀分布式放置，分别放置于靠近机头尾抬高、侧移油缸的位置。与液压阀集中放置的技术方案相比,液压管路距离液压阀的长度显著减小。液压管路发生故障时,故障排查的难度也降低。同时控制阀的端口上配置了调速阀，可以有效地减小设备工作时因负载李洋等：新型分布式电液控制自移机尾的研发变化而导致的油缸失速，阀组侧移缸图3液压系统架构图2本安型控制器的研发本文所用的控制器采用矿用本安型控制器。矿用本安型控制器是一种基于嵌入式的可定制开发的控制器平台，根据矿用防爆标准进行本质安全型电3498位移压力倾角控制器阀组13阀组推移缸抬高缸5路设计，不需要用隔爆腔来密闭控制器，具有体积小、质量轻的特点。本质安全型电路是指在规定条件下产生的电火花或热效应均不能点燃爆炸性气76体，其设计要求电压、电流、电路参数的设计要控制在安全火花的能量范围内，不能超过0.5mJ；安全间隙、爬电距离最小相比漏电起痕指数（CTI)应符合GB/T38362021的规定；电气元件表面温度不能超过 150 。本安型控制器的硬件由核心模块、电磁阀驱动模块、键盘模块及液晶模块4部分组成，如图4所示。液晶模块、键盘模块通过串行通信与核心模块进行通信。电磁阀驱动模块通过48 5通信与核心模块通信。核心模块由MCU1、A D 采集、CAN、2 32、485、无线通信及以太网通信等组成，MCU1采用STM32F4系列平台。驱动器模块由MCU2、驱动器芯片组成，通过48 5通信与核心模块建立连接，MCU2采用STM32F1系列平台。键盘驱动模块由按键、驱动芯片、急停及LED组成。本项目开发的本安型控制器三维模型如图5所示,外形尺寸为2 6 0 mm132mm118mm，质量约为 2.5 kg。3系统自动推移动作流程综采工作面设备包含采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机、自移机尾等，其设备布置如图6 所示。当采煤机向煤壁采掘时，每推进2 3刀，自移机尾就需要向右侧方向移动2 m左右的距离。自移机尾位于转载机与带式输送机的中间位置。转载机搭接在自移机尾的游动小车上，当转载机向前移动2 m左右的距离时，自移机尾就以移动小车为基点，通过推移缸向前推移2 m左右的距离。14电液阀驱动模块MCU2驱动芯片图4本安型控制器硬件架构260811图5本安型控制器平台三维模型6541-采煤机;2-液压支架;3-刮板输送机;4-转载机；5-带式输送机自移机尾；6 带式输送机。图6 综采工作面设备摆放示意图传统的自移机尾通过手动操作来实现设备推移,准备推移时,设备要先收抬高缸,推移固定距离，然后再调整设备的姿态，操作繁琐费时。分布式电液控制自移机尾可以实现一键推移，操作员可以通过任意一个控制器平台进行一键推移。操作员调整自移机尾至合适的设备姿态，平面两轴倾角传感器记忆当前的正确角度信息，控制器平台保存当前设备姿态信息。操作员通过控制器平台,设置设备的推移距离。推移距离按照工艺要求可以设置任意距离。距离设定完成之后，操作员按下推移键,系统判断所有抬高油缸的伸出位移是否为零：当位移非零时，控制器平台发出指令，执行收缸流程；当位移为零时，系统执行推移制定距离的动煤矿机电液晶模块作。推移油缸对应的电液先导阀的阀口打开，推移串行通信缸向前推移。推移缸缸内的内置式位移传感器不断核心模块监测推移缸的绝对位移，当绝对位移满足设置的推以太网无线+MCU1+AD采集CAN2321485通信键盘模块驱动芯片急停按键LED煤壁322023年第44卷移距离时，控制器发送信号给电液先导阀，阀口关闭。下一步,控制器平台根据推移前的角度信息，向485高缸发出伸出指令，控制抬高油缸及电液先导阀打开，抬高缸伸出，自移机尾调整至系统推移前的记忆姿态。串行通信4姿态调平算法自移机尾在运行的过程中要保持一定的水平状态。系统在非水平状态下运行时，会造成输送带在尾滚筒处的受力不均而造成输送带跑偏，因此如何快速地调平设备是整个分布式电液控制自移机尾研发的关键。现阶段,较为成熟的调平算法有2 种：一种是基于位置误差的调平算法；通过调节设备支腿的伸缩来调节平台的横倾角与纵倾角。一种是基于角度误差的调平算法,直接给出支腿需要伸缩的距离来调节。位置误差法有3种不同的调平策略，分别是最高点调平、最低点调平、中间点不动调平。为了更加快速准确地进行设备的调平，采用角度误差法和位置误差法融合的控制算法。图7 为系统调平示意图，调平过程为：同时调节同一方向的支腿，将X方向调整至水平，再调节Y方向至水平。具体步骤如下：1)平面OABC绕OC旋转,直至=0,OA与OA重合,得到面OABC。2)平面OABC绕OA旋转,直至=O,BC与BC重合,得到面OABC。Z个图7 系统调平示意图表1为系统最高点判断规则，表2 为设备抬高距离的判断规则。设备调平的流程为控制器先读取倾角传感器XY轴的角度值，然后根据表1的判断规则,确定系统最高点。控制器根据最高点和XYYAABBX2023年第3期轴倾角,算出设备需要抬高的距离，设备先调整X轴方向的2 个支腿,再调整Y轴方向的2 个支腿。整个调整完成后，控制器判断倾角XY轴方向是否达到水平状态,如果满足要求,则完成本次调平，否则循环上述流程。设备调平的关键是确定系统最高点，通过表1，倾角传感器XY轴的角度、(8 为调平精度）不同状态下的角度变化，可以比较快速地得到系统的最高点。表1系统最高点判断横倾角纵倾角+-+1s1+1o1+1sl-1al+11-1s1-1s1表2 系统抬高距离判断横倾角纵倾角+l-11-ll+1s1+1s1-1s1+181C,B同时升ocsinIlA,B同时升oa sin Il0,A同时升ocsinIl+1810,C同时升oa sin ll0,A同时升ocsinIl-1810,C同时升oasin！153杨红军，李刚炎.基于CAN总线和PLC的车载平台调平控制系统研究J.制造业自动化，2 0 0 8（4）：46-49.4姚舜才，张艳兵.基于PLC的自动调平系统J.华北工学院学报,2 0 0 3(1):14-17.5 杜卿.矿用变频器本质安全型电路设计J.煤矿机械，2 0 18，39(6):26-27.作者简介：李洋（19 8 5一），男，工程师。2 0 11年毕业于太原理工大学（硕士学位），研究方向为煤矿智能化、智能制造，已发表论文8篇。（收稿日期：2 0 2 2-12-16；责任编辑：任雨晴）