掘进机自动化技术研究
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回采工作面的快速推进，要求掘进机械智能化和自动化不断完善，其目的在于达到更高的巷道掘进速度，同时降低掘进费用及不断提高安全程度，改善作业环境，降低人工劳动。由于国产成套设备的自动化程度不高，仍处于较低水平，掘进效率底，人工劳动强度大。在新的煤炭市场要求下，为做好矿井采掘衔接合理，提高综合工效，采用自动化的截割技术，确保为回采提前做好准备。
1掘进机自动化系统组成
为实现掘进机的自动截割，采用嵌入式工业控制计算机与可编程控制器PLC（可编程逻辑控制器）相结合的数据收集和处理模式。嵌入式工业控制计算机采用研华TPC-1070，该工控机的CPU（可编程逻辑控制器）为CeleronM（处理器）（1.0GHz），固态电子式硬盘，具有2个RS-232、1个RS-485串行接口及2个以太网接口。PLC采用松下电工FPΣ型可编程控制器，该控制器采用模块化扩展方式，CPU采用32位精简指令处理器，指令丰富。具体分工为：1块FPG-C32T2CPU模块，带有16数字输入/16数字输出，程序容量为32K；2块FPG-XY64D2T数字量扩展模块，有32数字输入/32数字输出，完成遥控输入、操作箱信号、各电机、电磁阀的输出控制等；3块FPG-A80模拟量输入模块，具有8路模拟量输入，采集精度12位，完成各电机的电流及电压漏电、过流、接地保护的检测，液压系统的（油缸行程、机身俯仰角、侧倾角、地磁偏角）检测。
为实现巷道断面自动截割，控制阀采用比例电液阀组，并在油缸内安装滑动式直线位移传感器，在电控箱里安装二维倾角传感器和三维电子罗盘。通过计算机检测、数据处理技术、PLC编程技术及电液控制技术等，使掘进机具备了定位自动截割、姿态调整、煤矸初步识别及掘进机自动化监控等功能。
2掘进机的技术分析
2.1掘进机断面自动截割技术安装在回转油缸、升降油缸、伸缩油缸、铲板油缸、稳定油缸的伸缩量得出传感器位移量的变化值，设定切割头的中心点，建立平面的直角坐标（X，Y），如图1所示。由（X，Y）建立的坐标与设定截割断面的坐标信息（X0，Y0）。以截割矩形断面为例，在进行截割时，计算机按照PLC提供的程序进行截割控制。
其顺序为：系统启动后，设定所要截割断面的曲线信息图（矩形断面曲线为例）。截割断面形状就是掘进机在选择了所要掘进的断面设定曲线后，计算机自动将矩形断面数据集合（X0，Y0）调用，确定了截割头所截割的边界，截割断面形状信息被提取到程序系统中，截割头将沿着图1中左下角A位置开始向右做水平摆动，截割头坐标点（X，Y）中X值变化，Y值保持不变化。当截割头到达右下角B点附近时，回转油缸在缩小流量的控制下到达B点后，升降油缸上升设定值，通过对流量的控制，升降油缸上升到设定的距离时停止上升，Y值上升到设定的距离时，截割头移动到位置C，回转油缸的左右两油缸电磁阀反向导通，回转油缸向左水平摆动，此时X值连续变化变小，Y值保持不变，当（X，Y）逐渐靠近D点时，回转油缸在缩小流量的控制下到达D点后，升降油缸上行电磁阀导通，通过系统对其实施的流量控制，升降油缸上行1个设定距离后停止，Y值向上增加一个设定距离后停止变化，按照设定程序循环，当截割头截割到位置E时（E终点），一个截割断面就截割出来了。所指导航方式，就是由A-B-C-D循环方式，直到E设定断面完成的一个处理过程。为避免在截割过程中出现欠挖、超挖的现象，设定1个矩形断面O1-O2-O3-O4轨迹，截割头再沿设定轨迹截割1次完成后，符合标准的截割断面完成了。
2.2掘进机自动纠偏技术探索掘进机自动纠偏就是掘进机相对巷道中心在割煤、落煤、装煤、运煤后进行下一自动截割前依靠掘进机左右履带行走速度的变化及向左、向右调整掘进机中心线与巷道中心线的相对位置，控制掘进机沿着巷道中心线前进。目前的巷道采用人工操作截割断面，采用激光指向仪指向中线，司机观察激光指向确定截割方向及尺寸，无法发挥出掘进设备的最大效率。掘进机定位是建立掘进机自身位置坐标，确定掘进方向及对方向进行控制，自动跟紧激光指向方向进行自动定位。掘进机定位后，将沿着设定轨迹截割。
研究采用二维倾角传感器和三维电子罗盘相匹配的定位技术，通过二维倾角传感器检测掘进方向相对设定水平面形成的俯仰角，机身与水平面的倾斜角，然后再与三维电子罗盘仪的N（地磁北极）极形成的方位夹角，通过对方向的角度测量及检测，建立起掘进机的位置三维坐标。掘进机是在三维参数确定后施工的，而在截割施工过程中，三维参数理想，由于掘进机的震荡等，需在一个循环结束后，对三维参数进行适当调整。掘进机身侧倾方向上∠1大于0°时，截割断面顺时进行调整；掘进行进方向上∠2小于初始设定时，掘进断面向上调整；掘进行进方向上∠3大于初始设定时，截割断面向左调整；当3个角度的位移量都发生变化时，应重新调整截割断面，保证截割断面符合要求，根据传感器位移量的变化，校准切割头。直线AB是掘进机参照激光的设定方向掘进施工，直线ON是地磁北极，设定掘进施工方向与地磁北极的夹角是∠AON，截割1个循环进度后，掘进机受自身截割影响（震动、侧滑等），使机身与设定的截割方向发生偏差，此时掘进施工方向变成直线CD，掘进施工方向与地磁北极的夹角变成∠CON，从而与实际掘进走向发生偏差角∠AOC。掘进机需重新对二维倾角传感器和三维电子罗盘仪得出检测三维参数信息，确定截割头在下一个截割断面信息的原点中心与初始截割断面的原点中心在激光指向的平行线上，巷道原点中心点连线总是在激光方向的平行线上，则掘进出来的巷道就是符合施工标准的。
3结语
掘进机检测系统的组成还需不断更新，提高技术适应不同煤层硬度和复杂情况下的地质条件掘进，通过各传感器的检测，准确调整掘进机位置，掘进机自动纠偏保证掘进方向和巷道成型符合要求。煤矸识别在实际应用过程中存在的问题较多，需不断尝试煤矸识别新技术，准确识别煤矸，使掘进机朝着自动化和智能化水平不断发展。
作者：王朋伟 单位：晋煤集团寺河煤矿二号井