CN107701216A - 一种采煤工作面直线度的控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种采煤工作面直线度的控制装置及控制方法，控制装置的监控主机通过信号屏蔽线和控制器连接，控制器通过信号屏蔽线和电磁换向阀、控制器、压力传感器、流量传感器、推移液压缸连接，电磁换向阀通过油管分别和泵站、推移液压缸进行连接。控制方法包括：姿态检测模块检测采煤机沿刮板输送机运行时的姿态信息；控制器依据姿态信息和刮板输送机结构，采用惯性导航算法解算出刮板输送机的形态，得到各中部槽的实际调整位移；依据推移液压缸的位移‑流量模型将实际调整位移转化为乳化液供应量，采用模糊自适应PID方法精确控制乳化液供应量，实现刮板输送机的直线度控制。该装置和方法可高效、准确的检测出刮板输送机的直线度，从而保证采煤工作面的直线度。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制装置，特别是一种采煤工作面直线度的控制装置及控制方法。
背景技术
煤炭作为我国现阶段的支撑性能源，其开采的高产高效受到国内外学者的广泛关注，最行之有效的方法就是实现煤炭开采机械的自动化，从而实现井下无人化或少人化。煤炭综采工作面自动化要求达到“三直一平”，即工作面中液压支架、刮板输送机、煤壁保持直线，刮板输送机中部槽平直。刮板输送机中部槽不仅作为煤炭输送通道，而且还是采煤机的行走轨道，由于煤矿井下工作条件十分恶劣，如果刮板输送机中部槽不平直，则会增加刮板输送机的送煤功率，加速刮板链的磨损，甚至会导致断链情况出现，对生产效率和生产安全产生极大影响。此外，当刮板输送机直线度不能满足要求时，采煤机的行走直线度得不到保证，煤壁的直线度也就很难保证，由此可见，保证刮板输送机的直线度对采煤工作面的直线度具有重大意义。
目前，国内多数煤矿刮板输送机的调直工作依然采用拉线方式，即在工作面拉绳作为采煤工人调整刮板输送机的参考标准，采用人工操作推移液压缸的方式，通过视觉判断进行调整，然而这种调直方式由于视觉误差、操作误差等原因，使得调直精度不高且无法满足综采工作面自动化的要求。
发明专利“综采面刮板输送机机身自动调直装置及其控制方法”(公开号：CN102155222A)，公开了利用超声波传感器实时检测推移液压缸的位移并传输至刮板输送机调直控制器，由调直控制器对推移液压缸的位移进行拟合后获取刮板输送机的实时直线度，通过与刮板输送机理论直线度进行对比获取位移误差，支架控制器依据位移误差控制推移液压缸的行程，最终实现刮板输送机直线度的调整。该方法在对刮板输送机直线度进行调整时，以液压支架作为基准，在多个截割循环后，由于连接耳间隙误差的存在累积效果，使得液压支架整体排列容易出现弯曲，进而影响到刮板输送机的直线度。
发明专利“一种采煤工作面直线度控制方法”(公开号：CN102661162A)，公开了通过测距仪检测液压支架与煤壁之间的距离，并进行液压支架移架行程的控制，使工作面执行完移架后的液压支架与煤壁保持相同的距离，从而实现工作面液压支架直线度的控制，然后通过工作面液压支架的推溜动作，可以实现刮板运输机直线度控制。该方法在实际应用时，当煤壁出现片帮或截割不齐等情况时，依据测距仪检测出的液压支架与煤壁间的距离对液压支架进行调整时，液压支架容易出现排列不齐的现象，进而以液压支架为基准对刮板输送机进行调直时，增大了刮板输送机的直线度误差。
发明专利“综采工作面刮板输送机机身自动调直装置及方法”(公开号：CN105000328A)，公开了采用弹性杆连接在液压支架之间，以某一固定的液压支架作为基准，采用角度传感器检测弹性杆的角度，以角度传感器输出信号作为依据，通过电液控制***对液压支架直线度进行调整，直至所有角度传感器的输出为零从而完成液压支架的直线度控制；在刮板输送机中部槽连接哑铃销处安装应变传感器，以液压支架为基准，通过推移液压缸对刮板输送机直线度进行调整，直至所有应变传感器的信号输出为零从而完成刮板输送机直线度的控制。该专利中所提到的采用弹性杆、角度传感器和应变传感器作为主要部件的刮板输送机直线度的控制方法具有结构简单、成本低廉等优点，但弹性杆、应变传感器等关键部件极易受到煤矿工作环境的影响，实施可行性有待提高。
由此可知，目前现有的采煤工作面直线度的控制方法在实际应用中存在检测和调直精度低、可靠性低等不足之处。
发明内容
本发明的目的是提供一种采煤工作面直线度的控制装置及控制方法，该控制装置不仅结构简单、合理，而且检测和调直精度高，可靠性高；该控制方法可直接、有效的检测出刮板输送机的直线度；实现推移液压缸动作位移的精确控制，从而保证采煤工作面的直线度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采煤工作面直线度的控制装置，包括检测装置和调整装置，所述检测装置包括信号线、姿态检测模块、防爆箱、无线模块、电源线和电源模块，所述姿态检测模块、无线模块和电源模块安装于防爆箱内，所述防爆箱安装在采煤机上，所述电源模块通过电源线分别与姿态检测模块、无线模块连接，姿态检测模块通过信号线与无线模块连接；所述调整装置包括电磁换向阀、监控主机、控制器、压力传感器、流量传感器和推移液压缸，所述的监控主机通过信号屏蔽线和控制器连接，
控制器通过信号屏蔽线和电磁换向阀、压力传感器、流量传感器、推移液压缸连接，所述电磁换向阀通过油管分别和泵站、推移液压缸进行连接，压力传感器和流量传感器安装在泵站与推移液压缸之间的油管处，中部槽和液压支架通过推移液压缸进行连接，所述中部槽与推移液压缸通过连接耳进行连接，所述各节中部槽通过哑铃销进行连接。
进一步，所述的姿态检测模块采用IMU800CA-200模块，该模块的陀螺仪动态数字范围±200°/s，陀螺仪运行误差小于3°/h，陀螺仪非线性度小于0.1％FS。
进一步，所述的无线模块采用WE-40C蓝牙模块。
进一步，所述的电源模块采用12V直流锂电池。
进一步，所述的控制器采用基于STM32芯片的单片机并且具有信号线接口、蓝牙传输和显示屏显示等功能。
进一步，所述的流量传感器采用矿用本质安全型流量传感器。
进一步，所述的电磁换向阀采用三位四通电磁换向阀。
进一步，所述的油管采用矿用耐高压油管。
一种采煤工作面直线度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先，对井下工作面的液压支架与刮板输送机中部槽进行成组地址编码，以地址的形式表述某组中液压支架和刮板输送机中部槽，如第K组第i对液压支架和刮板输送机中部槽表示为：K[i]，其次，对控制装置中的全部传感器校准和初始化；
步骤S2，在采煤机沿刮板输送机运行进行截割煤壁作业时，由姿态检测模块采集采煤机在一个截割循环中的姿态信息，通过无线模块上传至控制器；
步骤S3，控制器接收到采煤机的姿态信息后，结合刮板输送机结构，采用惯性导航算法解算出刮板输送机的形态，通过与刮板输送机目标形态进行对比，获取刮板输送机各节中部槽的理论调整位移，记作：SLK[i]；推移液压缸和中部槽通过连接耳进行连接，该连接形式存在连接耳间隙误差记为ΔS，在实际调整过程中，必须对该误差进行补偿，故第K组第i对中部槽实际调整位移可表示为：SRK[i]＝SLK[i]+ΔS；
步骤S4，控制器依据推移液压缸的位移-流量模型将中部槽的实际调整位移转化为乳化液供应量，则第K组第i对推移液压缸乳化液供应量可表示为：QRK[i]；由推移液压缸的内部泄露和乳化液的可压缩性等因素导致的乳化液供应量误差记为ΔQ，则在实际过程中的乳化液目标供液量可表示为：QAK[i]＝QRK[i]+ΔQ；
步骤S5，控制器通过流量传感器实时检测当前调整组对的推移液压缸的乳化液供应量，采用模糊自适应PID的方法精确控制推移液压缸乳化液供应量，通过电磁换向阀控制推移液压缸的伸出与收回转换，从而调整中部槽的位置；
步骤S6，判断乳化液供应量是否达到目标供液量，当乳化液供应量未达到目标供液量QAK[i]时，则执行步骤S5；当乳化液供应量达到目标供液量QAK[i]时，进入步骤S7；
步骤7，判断是否完成中部槽的调整，当全部中部槽未调整完毕时，则执行步骤S3；
当全部中部槽调整完毕，实现刮板输送机的直线度控制，从而实现采煤工作面的直线度控制，流程结束。
本发明的有益效果是：本发明通过在采煤机上使用防爆箱安装姿态检测模块，所述的姿态检测模块采用MENS微机械陀螺仪传感器，可有效防止煤矿井下恶劣工况对传感器的影响，同时，该姿态检测模块可以准确地检测采煤机在沿刮板输送机进行往返作业时的姿态信息，依据姿态信息和刮板输送机的结构，采用惯性导航算法解算出刮板输送机的形态，
该方法可直接、简洁、有效的检测出刮板输送机的直线度；在对刮板输送机直线度进行控制的过程中，引入补偿项对连接耳间隙误差和乳化液泄漏误差进行补偿，减小了刮板输送机直线度的控制误差；将模糊自适应PID算法引入到推移液压缸的推移控制过程中，实现推移液压缸动作位移的精确控制，进而提高了刮板输送机直线度的控制精度；该采煤工作面直线度的控制装置及方法可以高效、准确的检测出刮板输送机直线度，实现对刮板输送机直线度的高精度控制，从而保证采煤工作面的直线度。
附图说明
图1为本发明中刮板输送机直线度检测装置的结构示意图，
图2为本发明中刮板输送机直线度调整装置的结构示意图，
图3为本发明采煤工作面直线度的控制方法的流程图，
图中，1、采煤机，2、信号线，3、姿态检测模块，4、防爆箱，5、无线模块，6、电源线，7、电源模块，8、煤壁，9、哑铃销，10、中部槽，11、连接耳，12、电磁换向阀，13、监控主机，14、控制器，15、泵站，16、压力传感器，17、流量传感器，18、油管，19、信号屏蔽线，20、液压支架，21、推移液压缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明采用的技术方案是：一种采煤工作面直线度的控制装置，包括检测装置和调整装置，所述检测装置包括信号线2、姿态检测模块3、防爆箱4、无线模块5、电源线6和电源模块7，所述姿态检测模块3、无线模块5和电源模块7安装于防爆箱4内，所述防爆箱4安装在采煤机1上，所述电源模块7通过电源线6分别与姿态检测模块3、无线模块5连接，姿态检测模块3通过信号线2与无线模块5连接；
所述的信号线2采用二芯信号线，所述的姿态检测模3块为MENS微机械陀螺仪传感器，采用IMU800CA-200模块，该模块的陀螺仪动态数字范围±200°/s，陀螺仪运行误差小于3°/h，陀螺仪非线性度小于0.1％FS；所述的防爆箱4采用煤矿专用防爆箱；所述的无线模块5采用WE-40C蓝牙模块；所述的电源线6采用DC直流电源线；所述的电源模块7采用12V直流锂电池。
所述的检测装置中的姿态检测模块3、无线模块5和电源模块7安装于防爆箱4内并将防爆箱4安装在采煤机1上，电源模块7通过电源线6为姿态检测模块3和无线模块5进行供电，电源线6采用DC直流电源线，姿态检测模块3和无线模块5通过信号线2进行数据传输，所述信号线2采用二芯信号线。当采煤机1沿刮板输送机进行截割煤壁8作业时，姿态检测模块3采集采煤机1的姿态变化数据通过无线模块5传输至控制器14。
如图2所示，所述调整装置包括电磁换向阀12、监控主机13、控制器14、压力传感器16、流量传感器17和推移液压缸21，所述的监控主机13通过信号屏蔽线19和控制器14连接，控制器14通过信号屏蔽线19和电磁换向阀12、压力传感器16、流量传感器17、推移液压缸21连接，所述电磁换向阀12通过油管18分别和泵站15、推移液压缸21进行连接，压力传感器16和流量传感器17安装在泵站15与推移液压缸21之间的油管18处，中部槽10和液压支架20通过推移液压缸21进行连接，所述中部槽10与推移液压缸21通过连接耳11进行连接，所述各节中部槽10通过哑铃销9进行连接，当对一节中部槽10进行推移时，会带动与其相连接的中部槽10运动。
所述的电磁换向阀12采用三位四通电磁换向阀；所述的监控主机13采用煤矿监控设备，所述的控制器14采用基于STM32芯片的单片机并且具有信号线接口，蓝牙传输和显示屏显示等功能；所述的泵站15采用煤矿专用乳化液泵站；所述的压力传感器16采用矿用本质安全型流量传感器；所述的油管18采用矿用耐高压油管；所述的信号屏蔽线19采用多芯信号屏蔽线；所述的推移液压缸21采用矿用标准液压缸。
控制器14通过无线模块5与姿态检测模块3进行通讯，实现姿态检测数据的采集和处理；通过信号屏蔽线19实现压力传感器16、流量传感器17的数据采集及处理，同时可以控制电磁换向阀12，实现推移液压缸21的伸出和收回的转换。监控主机13通过多芯信号屏蔽线与控制器14通讯，实现对采煤工作面直线度的控制装置中全部传感器的监测和全部执行机构的动作控制。
如图3所示，一种采煤工作面直线度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先，对井下工作面的液压支架20与刮板输送机中部槽10进行成组地址编码，以地址的形式表述某组中液压支架20和刮板输送机中部槽10，如第K组第i对液压支架20和刮板输送机中部槽10表示为：K[i]，其次，对控制装置中的全部传感器校准和初始化；
步骤S2，在采煤机1沿刮板输送机运行进行截割煤壁8作业时，由IMU800CA-200模块采集采煤机1沿刮板输送机运行过程中的姿态信息并存储，当采煤机1完成一个截割循环后，采煤机1在截割循环过程中的姿态变化数据，通过WE-40C蓝牙模块传输至控制器14；
步骤S3，控制器14接收到采煤机1的姿态信息后，结合刮板输送机结构，采用惯性导航算法解算出刮板输送机的形态，通过与刮板输送机目标形态进行对比，获取刮板输送机各节中部槽10的理论调整位移，记作：SLK[i]；推移液压缸21和中部槽10通过连接耳11进行连接，该连接形式存在连接耳间隙误差记为ΔS，在实际调整过程中，必须对该误差进行补偿，故第K组第i对中部槽10实际调整位移可表示为：SRK[i]＝SLK[i]+ΔS；
步骤S4，控制器14依据推移液压缸21的位移-流量模型将中部槽10的实际调整位移转化为乳化液供应量，则第K组第i对推移液压缸10乳化液供应量可表示为：QRK[i]；由推移液压缸21的内部泄露和乳化液的可压缩性等因素导致的乳化液供应量误差记为ΔQ，则在实际过程中的乳化液目标供液量可表示为：QAK[i]＝QRK[i]+ΔQ；
步骤S5，控制器14通过流量传感器17实时检测当前调整组对的推移液压缸10的乳化液供应量，建立PID参数与乳化液供应量误差及其变化率的模糊关系，以乳化液供应量误差和误差变化率作为输入，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，采用模糊自适应PID的方法精确控制推移液压缸21乳化液供应量，通过三位四通电磁换向阀控制推移液压缸21的伸出与收回转换，从而调整中部槽10的位置；
步骤S6，判断乳化液供应量是否达到目标供液量，当乳化液供应量未达到目标供液量QAK[i]时，则执行步骤S5；当乳化液供应量达到目标供液量QAK[i]时，进入步骤S7；
步骤S7，判断是否完成中部槽10的调整，当全部中部槽10未调整完毕时，则执行步骤S3；当全部中部槽10调整完毕，实现刮板输送机的直线度控制，从而实现采煤工作面的直线度控制，流程结束。
Claims (9)
1.一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，包括检测装置和调整装置，所述检测装置包括姿态检测模块(3)、防爆箱(4)、无线模块(5)和电源模块(7)，所述姿态检测模块(3)、无线模块(5)和电源模块(7)安装于防爆箱(4)内，所述防爆箱(4)安装在采煤机(1)上，所述电源模块(7)通过电源线(6)分别与姿态检测模块(3)、无线模块(5)连接，姿态检测模块(3)通过信号线(2)与无线模块(5)连接；所述调整装置包括电磁换向阀(12)、监控主机(13)、控制器(14)、压力传感器(16)、流量传感器(17)和推移液压缸(21)，所述的监控主机(13)通过信号屏蔽线(19)和控制器(14)连接，控制器(14)通过信号屏蔽线(19)和电磁换向阀(12)、压力传感器(16)、流量传感器(17)、推移液压缸(21)连接，所述电磁换向阀(12)通过油管(18)分别和泵站(15)、推移液压缸(21)进行连接，压力传感器(16)和流量传感器(17)安装在泵站(15)与推移液压缸(21)之间的油管(18)处，中部槽(10)和液压支架(20)通过推移液压缸(21)进行连接，所述中部槽(10)与推移液压缸(21)通过连接耳(11)进行连接，所述各节中部槽(10)通过哑铃销(9)进行连接。
2.根据权利要求1所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的姿态检测模块(3)采用IMU800CA-200模块，该模块的陀螺仪动态数字范围±200°/s，陀螺仪运行误差小于3°/h，陀螺仪非线性度小于0.1％FS。
3.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的无线模块(5)采用WE-40C蓝牙模块。
4.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的电源模块(7)采用12V直流锂电池。
5.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的控制器(14)采用基于STM32芯片的单片机并且具有信号线接口、蓝牙传输和显示屏显示等功能。
6.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的流量传感器(17)采用矿用本质安全型流量传感器。
7.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的电磁换向阀(12)采用三位四通电磁换向阀。
8.根据权利要求1或2所述的一种采煤工作面直线度的控制装置，其特征在于，所述的油管(18)采用矿用耐高压油管。
9.一种采煤工作面直线度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，流程开始，首先，对井下工作面的液压支架(20)与刮板输送机中部槽(10)进行成组地址编码，以地址的形式表述某组中液压支架(20)和刮板输送机中部槽(10)，如第K组第i对液压支架(20)和刮板输送机中部槽(10)表示为：K[i]，其次，对控制装置中的全部传感器校准和初始化；
步骤S2，在采煤机(1)沿刮板输送机运行进行截割煤壁(8)作业时，由姿态检测模块(3)采集采煤机(1)在一个截割循环中的姿态信息，通过无线模块(5)上传至控制器(14)；
步骤S3，控制器(14)接收到采煤机(1)的姿态信息后，结合刮板输送机结构，采用惯性导航算法解算出刮板输送机的形态，通过与刮板输送机目标形态进行对比，获取刮板输送机各节中部槽(10)的理论调整位移，记作：SLK[i]；推移液压缸(21)和中部槽(10)通过连接耳(11)进行连接，该连接形式存在连接耳间隙误差记为ΔS，在实际调整过程中，必须对该误差进行补偿，故第K组第i对中部槽(10)实际调整位移可表示为：SRK[i]＝SLK[i]+ΔS；
步骤S4，控制器(14)依据推移液压缸(21)的位移-流量模型将中部槽(10)的实际调整位移转化为乳化液供应量，则第K组第i对推移液压缸(21)乳化液供应量可表示为：QRK[i]；由推移液压缸(21)的内部泄露和乳化液的可压缩性等因素导致的乳化液供应量误差记为ΔQ，则在实际过程中的乳化液目标供液量可表示为：QAK[i]＝QRK[i]+ΔQ；
步骤S5，控制器(14)通过流量传感器(17)实时检测当前调整组对的推移液压缸(21)的乳化液供应量，采用模糊自适应PID的方法精确控制推移液压缸(21)乳化液供应量，通过电磁换向阀(12)控制推移液压缸(21)的伸出与收回转换，从而调整中部槽(10)的位置；
步骤S6，判断乳化液供应量是否达到目标供液量，当乳化液供应量未达到目标供液量QAK[i]时，则执行步骤S5；当乳化液供应量达到目标供液量QAK[i]时，进入步骤S7；
步骤S7，判断是否完成中部槽(10)的调整，当全部中部槽(10)未调整完毕时，则执行步骤S3；当全部中部槽(10)调整完毕，实现刮板输送机的直线度控制，从而实现采煤工作面的直线度控制，流程结束。
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