機電新技術(shù)在掘進機中的應用講義

1、目 錄第二講 機電新技術(shù)在懸臂式掘進機中的應用12.1 掘進機的分類12.2 掘進機主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標22.3 掘進機截割工藝路線52.4 懸臂式掘進機智能控制發(fā)展方向62.5 新技術(shù)在掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應用92.6 組態(tài)系統(tǒng)在掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應用13思考題：17參考文獻1719第二講 機電新技術(shù)在懸臂式掘進機中的應用煤炭是重要的一次能源。隨著工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，煤炭在國民經(jīng)濟中的地位越來越重要。隨著科技進步和煤炭清潔化利用水平的不斷提高，煤炭作為能源和化工原料的應用將更廣泛，煤炭對經(jīng)濟社會的發(fā)展仍將起著重要的促進作用。掘進機機作為煤炭巷道掘進的主要工具，其自動化程度無疑嚴

2、重制約著礦井生產(chǎn)效益。工作面的推進速度越來越快，這就要求加快掘進速度，以達到采掘平衡。國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐已證實，只有實現(xiàn)掘進機械化、自動化、智能化才能滿足這一要求。2.1 掘進機的分類目前國內(nèi)外研制和使用巷道掘進機中，按照結(jié)構(gòu)形式劃分可分為兩種：全斷面掘進機（TBM Tunneling Boom Machine）和部分斷面掘進機（partial-size tunneling machine）。按照開挖巖土類型可分為軟土掘進機及硬巖掘進機4-17，如圖1.1所示。圖1 掘進機的分類在長距離、大斷面的硬巖隧道施工中，全斷面掘進機得到了廣泛應用，例如世界著名的英吉利海峽海底隧道就是用11臺全斷面掘進機

3、完成的，我國秦嶺西康鐵路隧道也是用兩臺德國產(chǎn)TB880E全斷面掘進機完成的。但是全斷面掘進機作業(yè)線投資偏高，對隧道圍巖地質(zhì)和巷道適應性較差，一旦開工，只能單向作業(yè)，不能調(diào)頭，影響了其大量推廣使用，尤其在礦業(yè)部門，對于中短巷道的掘進采用全斷面掘進機是很不經(jīng)濟的。懸臂式掘進機（boom-type roadheader）是一種部分斷面掘進機，工作時通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂（也稱為截割臂）的上、下、左、右自由擺動，能夠截割出任意形狀的斷面。以煤礦巷道掘進為代表，懸臂式部分斷面掘進機在煤礦地下巷道施工中得到了廣泛的應用，尤其是近些年來，隨著掘進機在土木工程和采礦工程中的大量使用，目前掘進機已成為各產(chǎn)煤國不

4、可缺少的生產(chǎn)設(shè)備，且各國制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進機多以懸臂式部分斷面掘進機為主。懸臂式部分斷面掘進機有以下一些優(yōu)點：（1）由于工作機構(gòu)可在機器的允許范圍內(nèi)任意擺動，截割頭能夠截割出任意形狀不同斷面的巷道，可以臥底、鉆柱窩和挖水溝；還可以分別截割半煤巖巷道的煤和巖石，對采準巷道斷面的規(guī)格形狀和煤巖賦存情況的適應性較好，所掘進巷道斷面的變化范圍較寬。 圖1-2 全斷面掘進機 圖1-3 懸臂式掘進機（2）掘進速度快，質(zhì)量好。如果支護作業(yè)安排在作業(yè)后進行，掘進機可實現(xiàn)連續(xù)掘進，能同時完成破煤巖、運輸?shù)裙ぷ?，效率高，并且掘進機是機械破巖，掘進后煤巖巷道周圍煤巖壁完整光滑，超挖掘量少，減少支護

5、量，這與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，掘進速度可提高1.52倍，并避免了爆破作業(yè)時巷道周圍煤巖因爆破振動而破壞的現(xiàn)象發(fā)生。（3）結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)先進。目前懸臂式掘進機多采用耙裝式裝載機構(gòu)和履帶式行走機構(gòu)。其裝載能力大、調(diào)運靈活、工作可靠。（4）經(jīng)濟、安全、成本低。掘進機掘進速度快，能夠連續(xù)作業(yè)，經(jīng)濟效益和社會效益高。改善了工人的勞動條件，體力勞動減少了0.51倍（與鉆爆法相比）。同全斷面掘進機（TBM）相比，在巷道斷面尺寸大致相同的情況下，懸臂式掘進機的基本投資費用約為全斷面掘進機的15%，尤其是在中短巷道的施工中，因此對于絕大多數(shù)的礦山井下巷道掘進，懸臂式部分斷面掘進機是很適用的。同時避免了因爆破鉆進而造

6、成的人員傷亡，事故率大大減少。2.2 掘進機主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標1.2.1 懸臂式掘進機主要結(jié)構(gòu)S100型掘進機是一種半煤巖重型巷道掘進機，主要由履帶行走部、截割部、轉(zhuǎn)載部以及噴霧降塵等部分組成，其外形如圖2所示。圖2 懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖（1）截割機構(gòu)截割機構(gòu)由掘進頭（截割頭）、伸縮部、減速機、截割電機組成，見圖2-2。截割頭為圓錐臺形。在其圓周分布40把截齒。主軸與截割頭采用漸開線花鍵連接，使主軸帶動截割頭旋轉(zhuǎn)。伸縮部在截割頭和減速器中間，通過伸縮油缸可使截割頭具有510mm的行程。它的優(yōu)點是：對復雜的礦山地質(zhì)條件適應性較好，對掘進巷道的形狀一般沒有限制，結(jié)構(gòu)較簡單，便于檢帶和更換截齒，也

7、可以及時支護巷道。截割頭在傳動裝置的帶動下可旋轉(zhuǎn)，同時懸臂可前后伸縮，還可上下及左右擺動。工作時，截割頭從工作面一角開始切入煤壁，按照一定的工作路線在巷道斷面內(nèi)連續(xù)移動，從而掘出任意形狀的斷面。圖3 截割部結(jié)構(gòu)簡圖（2）裝載機構(gòu)裝載機構(gòu)由鏟板部、第一運輸機、本體部組成。鏟板部是由主鏟板、側(cè)鏟板、鏟板驅(qū)動裝置、從動輪裝置等組成，通過兩個液壓馬達帶動弧形三齒星輪，把截割下來的物料裝到第一運輸機內(nèi)。第一運輸機位于機體中部，底板取直，并采用新型耐磨材料，雙鏈刮板式。采用兩個馬達共同驅(qū)動鏈輪，帶動刮板鏈組實現(xiàn)物料運輸。（4）行走機構(gòu)行走機構(gòu)主要由定量液壓馬達、減速機、履帶鏈、漲緊組輪、漲緊油缸、履帶架等

8、組成。定量液壓馬達通過減速機及驅(qū)動輪帶動履帶鏈實現(xiàn)行走，使掘進機能夠按照指定的指令自如的行走。行走裝置采用履帶式結(jié)構(gòu)，適用于底板不平和松軟的條件，行走時不需要修路鋪軌，牽引能力大，行走靈活。（5）液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)懸臂式掘進機采用油泵油缸系統(tǒng)，來實現(xiàn)截割機構(gòu)、裝載機構(gòu)鏟板和皮帶轉(zhuǎn)載機的垂直和水平擺動，以及截割機構(gòu)的伸縮、機體的支撐等。履帶行走機構(gòu)、皮帶轉(zhuǎn)載機也采用油泵油馬達系統(tǒng)來驅(qū)動。這種驅(qū)動方式的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、操縱方便、調(diào)速性能和過載保護性能好。1.2.2主要性能指標這里以S100型懸臂式掘進機為例說明掘進機主要技術(shù)指標：表2-1 S100型掘進機技術(shù)特征 1、總體5、行走部定位截割高度4

9、.63m形式履帶式定位截割寬度5.3m履帶板寬度450mm最大臥底量0.25m制動方式一體式多片制動器（減速機內(nèi)置）掘進頭伸縮量510mm掘進斷面形狀任意對地壓強0.127MPa爬坡能力180行走速度3-7m/min可截割煤巖硬度60MPa漲緊形式油缸漲緊+卡板總功率145kW原動機（液壓馬達+減速機）15kW/臺機重28t6、液壓系統(tǒng)截割最大面積21m2系統(tǒng)壓力18MPa最大外形尺寸(長寬高)8.72.81.48m三聯(lián)泵1臺（CBGj2040/2032/2025）三聯(lián)泵1臺（CBGj2063/2032/2032）2、截割機構(gòu)7、液壓馬達排量截割功率100kW行走部90ml/r（2臺）截割頭最

10、大直徑840mm鏟板部1234 ml/r（2臺）截割頭轉(zhuǎn)速46rpm第一運輸機397 ml/r（2臺）噴霧內(nèi)外噴霧方式油箱容量395L3、行走機構(gòu)油泵電動機55Kw(防爆風冷1臺)裝載形式弧形三齒星輪式換向閥手動式履帶板寬度2.8m油冷卻器水冷卻式（1臺）星輪轉(zhuǎn)速34rpm8、水系統(tǒng)最大裝載能力4.5m3/min外來水量100L/min液壓馬達12kW/臺外噴霧水壓2.8MPa4、第一運輸機內(nèi)噴霧水壓3.0MPa型式雙邊鏈刮板式9、電氣部分溜槽斷面尺寸500300mm額定電壓AC1140/660V鏈速70.8m/min額定電流165A漲緊形式絲杠張緊額定頻率50HZ運輸能力5.3 m3/min

11、輸出分路數(shù)3路液壓馬達13kW/臺額定功率163kW2.3 掘進機截割工藝路線掘進機在進行截割作業(yè)時應根據(jù)巷道斷面的大小和形狀，以及煤層的儲存情況，合理地進行截割工作，如果超挖會給支護工作帶來困難，并使巷道掘進效率降低，施工成本增加，而欠挖時又達不到施工的要求。嚴格地說，要提出一種適用于任何斷面截割的作業(yè)程序是不可能的，但對于一般較均勻的中等硬度煤層，采取由下而上的作業(yè)程序，而對于相當堅硬的煤巖巷道，也可以采取由下而上的作業(yè)程序，截割時應注意煤層的層理情況，沿層理進行截割，盡量避免出現(xiàn)大的煤巖塊，以利于裝載轉(zhuǎn)運。掘進作業(yè)：（1）操作順序1）開動油壓用電 開動第二運輸機 開動第一運輸機 開動耙爪

12、開動截割頭，以此作為開動順序。2）當沒有必要開動裝載時，也可開動油壓用電機后，再起動截割電機。3）在裝載時，如先開動第一運輸機，就會在與第二運輸機的接頭處造成堆積和落煤現(xiàn)象同時會帶來后退時的困難。（2）截割1）截割頭的上下、左右移動截割，形成截割斷面，此截割斷面與實際所要求的形狀和尺寸，是有一定差別的。另外根據(jù)煤壁的情況，利用截割頭的伸、縮截割修整斷面。2）一般來說，當截割較軟的煤壁時，應該采用左右的循環(huán)，自下而上的截割方法。但是，當截割硬煤或者軟巖時，截割的進給方向參考圖2-5。圖2-5截割頭掘進時的受力示意圖3）當截割硬巖石時，可采用圖的由下而上左右截割的方法。4）不管采用那種方法，而最根

13、本的是要從下向上截割。5）當遇有硬巖時，不應勉強截割，對有部分露頭硬石時，應首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用適當辦法處理后再行裝載。6）當挖柱窩時，應將截割頭伸到最長位置向下掘，然后，在此狀態(tài)下將截割頭向回收縮，以便將煤巖拖拉到鏟板附近，利于裝載。另一方面，由前面分析不難看出，懸臂掘進機在進行截割作業(yè)過程中，機器本身沿巷道中心線方向布置，掘進頭如果擺動到左、右、上、下極限位置時，那么所得到的極限斷面形狀呈腰鼓形（如圖2-6所示），其中最寬處出現(xiàn)在巷道中部，巷道頂部和巷道底部的寬度均小于巷道中部寬度；而在實際作業(yè)過程中，懸臂掘進機所截割斷面的形狀均小于極限斷面，一般為標準的梯形，

14、半圓拱形、三心拱形等等，因此可以針對具體形狀的標準斷面進行截割工藝路線的初步規(guī)劃。圖2-6 極限斷面和幾種標準斷面情況2.4 懸臂式掘進機智能控制發(fā)展方向2.4.1 國內(nèi)外發(fā)展概況目前，世界上各主要產(chǎn)煤國用掘進機掘進的巷道已占巷道總長的40%50%。近年來，懸臂式掘進機不僅用于煤及軟巖巷道的掘進，在中等硬度的半煤巖巷道掘進中也取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，國外的某些重型掘進機已能切割某些較硬的巖石巷道。懸臂式掘進機的發(fā)展與研究主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）切割功率能力穩(wěn)定提高，機器的可靠性高。據(jù)報道,日本成功地使用TM60K型掘進機掘進全巖巷引水隧道，截割抗壓強度高達170200MPa的巖石，目前

15、最大的WAV408型掘進機重達160t，切割功率可達408 kW,定位切割斷面面積可達87.5m2。多年來,掘進機的掘進技術(shù)都是遵循著巖石機械破碎而發(fā)展。高壓水射流掘進機的研制，沖擊振動式截割機具的研制等改變了傳統(tǒng)的截割方式。德國一家公司開發(fā)了一種水力掘進技術(shù)。它是在機械截割中以200MPa壓力的高壓水射流輔助截割的一種合成巖石破碎技術(shù),具有降低截齒溫度、減輕截齒磨損量(減輕30%)、減小截割力(減幅可達25%)、粉塵生成量少等優(yōu)點。水力掘進具有諸多其他機械掘進所不及的優(yōu)點，這項技術(shù)正在研發(fā),一旦成熟,市場廣闊。我國懸臂式掘進機經(jīng)過近50年的發(fā)展, 已能適應我國煤巷掘進的需要,半煤巖巷的掘進技

16、術(shù)已達到相當?shù)乃?，出現(xiàn)了重型機。我國懸臂式掘進機的設(shè)計、生產(chǎn)、使用已經(jīng)跨入國際先進行列。（2）采用機電一體化技術(shù)，提高電控系統(tǒng)的智能化水平掘進機的早期控制、操作回路一般都通過操作安裝在隔爆型主令箱上的按鈕或手把開關(guān)來控制傳統(tǒng)的交流中間繼電器電路，進而通過繼電器接點來對主回路交流接觸器進行二次控制。近年，體積小、功耗低、可靠性高的光電耦合元件作為隔離和轉(zhuǎn)換器件在本安型控制先導回路中得到了廣泛的應用并取得了良好的效果。可編程序控制器(PLC)的應用更是使掘進機的控制技術(shù)和可靠性上了一個臺階。國外新型掘進機均配有完善的工況檢測和故障診斷系統(tǒng)，從而可以在早期發(fā)現(xiàn)機器故障，并快速排除故障，大大縮短了機

17、器的停機時間，生產(chǎn)率相應大幅提高 。如波蘭EMAG礦山電氣自動化研究中心研制的監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)控SKD-1掘進機運行狀況。該系統(tǒng)能夠全面監(jiān)控掘進機運行狀態(tài)，工作可靠，測試精度高，數(shù)據(jù)保存時間長；監(jiān)視器通過LED指示器直觀顯示掘進機各部位情況；通過讀寫器與計算機進行數(shù)據(jù)交換，配合專用軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理；可根據(jù)用戶需要進行二次開發(fā)。（3）發(fā)展掘錨機組一體化為充分發(fā)揮掘進機效能，各國都十分重視綜掘作業(yè)配套設(shè)備的研究。為縮短支護時間，在中等穩(wěn)定頂板條件下，常用機載錨桿鉆機支護；為使掘進機與支護平行作業(yè)，運用超前液壓支架或自帶盾牌掩護支架，但使用效果都不理想。掘錨機組是適用于高產(chǎn)高效礦井煤巷高效掘進的

18、掘錨一體化設(shè)備，是懸臂式掘進機的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型掘進機型。掘錨機組是將掘進與支護有機地組合起來，減少掘進與支護設(shè)備的換位作業(yè)時間，在同一臺設(shè)備上完成掘進和支護工藝。其作業(yè)方式是截煤和安裝錨桿同時平行作業(yè)，錨桿鉆機則與發(fā)生履帶主機架停在原位固定，錨桿鉆機向頂板的側(cè)幫打眼安裝錨桿。隨后，行走機構(gòu)帶著機體及錨桿機向前移動，完成一個掘進循環(huán)。目前國內(nèi)已有9臺掘錨機組，其中7臺ABM20掘錨機組和2臺12CM15-15DDVG掘錨機組。2006年自主研發(fā)生產(chǎn)出了國內(nèi)第一臺掘進機機載錨桿鉆機裝置和可旋轉(zhuǎn)作業(yè)的掘進機機載錨桿鉆機裝置，并申報了國家專利。2.4.2 懸臂式掘進機智能化發(fā)展趨勢礦工的工作是世

19、界上最艱苦和最危險的工作之一，2006年全國煤礦事故死亡人數(shù)為4746人，可見礦工的工作的危險性，為減少礦難事故及死亡人數(shù)，煤礦生產(chǎn)急需自動化。盡管機器人技術(shù)在地面上各行業(yè)的發(fā)展迅速、應用較廣，然而將機器人技術(shù)用在煤礦的開采是相當?shù)纳?。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，技術(shù)創(chuàng)新是目前礦山機械所面臨的新挑戰(zhàn)。礦山機械將向大型化、智能化、無人化方向發(fā)展。國內(nèi)外研制和使用的掘進機可分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機，部分斷面掘進機又稱懸臂式掘進機，具有生產(chǎn)效率高、掘進速度快、適應性強、調(diào)動靈活等優(yōu)點，目前已成為各主要產(chǎn)煤國家不可缺少的生產(chǎn)設(shè)備。然而大多數(shù)懸臂式掘進機仍是手工操作，司機勞動強度較大，

20、舒適性較差，勞動生產(chǎn)率也低，而且施工質(zhì)量、施工安全很大程度上取決于人為因素，因事故而傷亡的人數(shù)也較多。因此急需加速井下懸臂式掘進機的自動化功能的研究。（1）可視化礦石識別技術(shù)要想真正實現(xiàn)無人化的自動控制操作操作，就必須使掘進機能夠自動識別出巖石和各種礦石，這就需要有相應的傳感器和識別技術(shù)。目前，西班牙和法國正在通過一項目掘進機的機器人技術(shù)用于自動選擇性切割來做這方面的研究。通過實驗來研究射線在巖石表面的吸收情況，利用微波和其它技術(shù)，他們已經(jīng)取得了快速發(fā)展和找到了有效的方法。利用四架攝象機同時對一塊巖石進行攝像（攝像面積可達45m2），然后對四張圖片進行分析，可以辨別出不同的巖石和他們的分界線。

21、將這項技術(shù)用于掘進機，可以修改掘進機的挖掘軌跡，提高效率。目前我國在這方面的研究尚處在起步階段。（2）斷面成型控制技術(shù)截割斷面的成形控制，可獲得規(guī)整的斷面形狀尺寸，從而減少無用的掘進量和充填量，提高掘進效率，并大大降低巷道掘進成本，其經(jīng)濟效益是顯而易見的，這是掘進機實現(xiàn)自動化截割中的新課題。目前，國外已有能夠?qū)崿F(xiàn)斷面成型控制的掘進機，德國艾柯夫公司研制的微機輪廓和導向及機器運行狀況監(jiān)測系統(tǒng)，其持點是用激光導向。由掘進機后面巷道頂部懸掛一激光發(fā)生器，用棱柱水晶體將激光束分裂為兩個互相垂直面，激光接收器有三條攝像晶體管線，可在600 mm寬的激光束面上捕捉激射光，井將信號輸入計算機進行處理，控制掘

22、進機標準位置的乎行偏差和推進方向上的角度偏差。這套系統(tǒng)于1983年開始在ET-160和ET-110掘進機上使用。奧地利阿爾卑尼公司的AMCS斷面輪廓與方向控制不用計算機采用光電傳感器和邏輯電路，利用三維比例顯示器，顯示切割頭在巷道中位置，相應同步跟蹤動作，當切割頭截齒接觸巷道斷面邊緣時，即發(fā)出聲響信號，然后由人工操作控制，這是一種比較簡單實用，沒有反饋功能的非閉環(huán)控制系統(tǒng),已在AM75、AM65掘進機上使用。我國對于懸臂式掘進機的斷面成形控制這一研究領(lǐng)域，國內(nèi)尚未正式開始，還處于理論研究階段。（3）行走機構(gòu)的智能化控制掘進機的行走機構(gòu)大都采用履帶行走機構(gòu)，它支承機器的自重和牽引轉(zhuǎn)載機行走、當掘

23、進作業(yè)時它承受切割機構(gòu)的反力、傾覆力矩及動載荷。要實現(xiàn)行走機構(gòu)的智能化控制，就必須解決自動導航與跟蹤、機器自身姿態(tài)等問題。世界各地的科學家都在積極探索將機器人技術(shù)運用于礦山機械上。一方面，礦山機器人能夠高強度、長時間的在各種工作環(huán)境中從事簡單的重復性勞動，使礦工從繁重的體力勞動中解脫出來；另一方面，它對工作環(huán)境有很強的適應能力，能代替人在有害環(huán)境中從事危險作業(yè)。美國礦業(yè)局移植機器人技術(shù)，研制具有視覺和某些智力功能的導向系統(tǒng)等。目前我國也在加緊這方面的研制工作。（4）截割功率自動調(diào)節(jié)控制對大功率懸臂式半煤巖巷道掘進機來說，當截割煤層時，因截割阻力較小，這時需給截割機構(gòu)提供較大的進給速度來提高生產(chǎn)

24、率；當截割巖石時，截割阻力較大，為避免截割電機過載,同時也為減少截齒損耗，這時應對截割機構(gòu)提供較小的進給速度。由于在巷道同一斷面內(nèi)通常是煤巖共存,在功率一定的條件下，當截割煤時,需要高進給速度、低進給力；當截割硬煤或半煤巖時，則需要低進給速度、高進給力。日本三井三池公司研制了切割功率自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2.5 新技術(shù)在掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應用這里以SKD-1 掘進機運行監(jiān)測系統(tǒng)為例說明新技術(shù)在掘進機中的應用2.5.1 技術(shù)特點（1）全面監(jiān)控掘進機運行狀態(tài)，工作可靠，測試精度高，數(shù)據(jù)保存時間長；（2）監(jiān)視器通LED指示器直觀顯示掘進機各部位情況；（3）通過讀寫器與計算機進行數(shù)據(jù)交換，配合專用軟件進行

25、數(shù)據(jù)分析和處理；（4）可根據(jù)用戶需要進行二次開發(fā). SKD-1 掘進機運行監(jiān)測系統(tǒng)2.5.2系統(tǒng)特點與應用SKD1系統(tǒng)用于在線監(jiān)測掘進機（例如AM50）的運行狀態(tài)，并通過圖4所示監(jiān)視器直觀地表示出來，同時記錄在系統(tǒng)存儲器中。記錄的數(shù)據(jù)可以用讀寫器（圖2）傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C系統(tǒng)（圖3），并通過專門軟件進行分析和處理（圖5）。系統(tǒng)有14路二進制輸入，4路模擬輸入，以及繼電器輸出以實現(xiàn)在油箱液位、壓力、溫度等超出允許范圍時切斷油泵電源。監(jiān)視器圖形上的LED指示器可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)的不同閃爍綠光、橙光和紅光，可以直觀地反映掘進機不同部位的工作狀態(tài)。它們可以分為三類：（1）二進制輸入（2）模擬量傳感器用多段

26、指示器表示（3）SKD1系統(tǒng)及其子系統(tǒng)傳感器故障和通訊錯誤通過監(jiān)視器上特定的紅色LED閃爍來表示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SKD1系統(tǒng)由下列部分組成：（1）帶有IP54防爆殼體的本安型主接口單元KG1/SKD1安裝在掘進機上；（2）帶有本安型電源ZL12r 42V AC/12V DC，1.6A的工作單元KL1/SKD1安裝在CHAMBER，負責收集來自掘進機工作CHAMBER的傳感器的信息；（3）帶有IP84防爆殼體的本安型監(jiān)視器單元M1/SKD1安裝在掘進機控制室內(nèi)。測量系統(tǒng)包括：（4）電流傳感器2個，監(jiān)控切割頭電機和油泵電機的電流；（5）雙金屬溫度多路開關(guān)連接6個溫度傳感器：切割頭、液壓泵、兩個裝載部和兩

27、個履帶部；（6）除塵系統(tǒng)水位開關(guān)；（7）水流開關(guān)；（8）4個監(jiān)控油缸動作的壓力開關(guān)；（9）油箱液位開關(guān)；（10）油泵回路壓力模擬傳感器；（11）油箱溫度模擬傳感器。工作原理SKD系統(tǒng)方框圖SKD1系統(tǒng)的工作原理是通過三個部分的微控制器的連續(xù)工作程序?qū)崿F(xiàn)的：主控單元、工作單元和監(jiān)視器。三個部分之間的信息交換通過串行通信實現(xiàn)，測量數(shù)據(jù)量非常大。在此基礎(chǔ)上，每個時鐘周期內(nèi)的測量值被平均值處理。下列操作是不斷進行的：（1）傳遞測量值到監(jiān)視器；（2）根據(jù)報警閾值壓縮測量數(shù)據(jù)量；（3）將數(shù)據(jù)和時間標記一同記錄在非易失性存儲器上。每一個傳感器的狀態(tài)都通過LED指示器的顏色表示出來?；炯夹g(shù)參數(shù)額定供電電壓

28、42V AC 工作條件電壓波動范圍 0.75Un-1.2Un 環(huán)境溫度 0-40 C電源消耗 15VA 相對溫度 95%防護等級 IP54 (溫度不高于40C)防爆類型 本質(zhì)安全型 大氣壓力 0.086-1.1 MPa半導體存儲器 操作中方位 任意存儲容量 2 MB 操作方式 連續(xù)數(shù)據(jù)存儲周期 最后24小時數(shù)據(jù)保存周期 3年CR1/SKD1數(shù)據(jù)讀寫器 SKD1系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)處理分析裝置SKD1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件SKD1系統(tǒng)監(jiān)視器2.6 組態(tài)系統(tǒng)在掘進機運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應用2.6.1 系統(tǒng)組成在控制過程日趨復雜，對機器和設(shè)備功能的要求不斷增加的背景下，獲得最大的透明性對操作員來說至關(guān)重要。人機界面

29、(HMI)提供了這種透明性。HMI是人(操作員)與過程(機器/設(shè)備)之間的接口，HMI系統(tǒng)承擔下列任務：（1）過程可視化過程顯示在HMI設(shè)備上，HMI設(shè)備上的畫面可根據(jù)過程變化動態(tài)更新。（2）操作員對過程的控制操作員可以通過GUI(圖形用戶界面)來控制過程，例如，操作員可以預置控件的參考數(shù)值或者啟動電機。（3）顯示報警過程的臨界狀態(tài)會自動觸發(fā)報警，例如，當超出設(shè)定值時。（4）歸檔過程值和報警HMI系統(tǒng)可以記錄報警和過程值，該功能可以記錄過程值序列，并檢索以前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。（5）過程值和報警記錄HMI系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表，例如，可以在某一輪班結(jié)束時打印輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)。（6）過程和設(shè)備的參數(shù)管

30、理HMI系統(tǒng)可以將過程和設(shè)備的參數(shù)存儲在配方中，例如，可以一次性將這些參數(shù)從HMI設(shè)備下載到PLC，以便改變產(chǎn)品版本進行生產(chǎn)。C7-636觸摸屏C7-636部件和接口示意圖SIMATIC C7緊湊型控制系統(tǒng)在一個單元中集成了一個S7-300 PLC和一個操作員面板(OP)，既315-2DP CPU和高性能的TP/OP270面板，SIMATIC C7-636中集成的各個組件對應于也可在包含315-2 DP CPU的模塊化結(jié)構(gòu)中使用的組件，包括314C-2 DP I/O子模塊以及OP 270 6，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。SIMATIC C7-636中集成的各個組件均獨立運行，每個處理器均分配到一個其自己

31、的存儲區(qū)。C7 CPU和C7 TP/OP通過MPI接口進行內(nèi)部通訊。C7 CPU與C7 TP/OP無關(guān)，當C7 CPU切換至STOP模式時C7 TP/OP仍可繼續(xù)運行。C7-636控制器集成的輸入/輸出和MPI/DP通信接口使由C7-636配置的系統(tǒng)更為小巧、緊湊。通過C7面板上的鍵進行CPU操作模式選擇(通過授權(quán)輸入跳線保護)，而通過MMC卡備份數(shù)據(jù)，實現(xiàn)免維護，MMC卡是運行C7 CPU必須的選件，有不同存儲容量的MMC卡可供選擇。C7-636的插入式I/O端子實現(xiàn)永久接線，使得整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)了尺寸最小化，工程造價經(jīng)濟化。C7-636可以在STEP 7 V5.3或更高版本下組態(tài)編程，其集

32、成的OP/TP270可通過新一代面板組態(tài)工具進行組態(tài)，如ProTool或WinCC flexible組態(tài)軟件，WinCC flexible包括了從Micro Panel到簡單的PC可視化的一系列產(chǎn)品。因此，WinCC flexible的功能性可以與ProTool系列的產(chǎn)品和TP Designer相媲美。而且可以將現(xiàn)有的ProTool項目集成到WinCC flexible中。2.6.2 監(jiān)控顯示系統(tǒng)C7-636控制系統(tǒng)一開機則自動進入起始畫面，在起始畫面中組態(tài)了一個急停按鈕，用于意外事故發(fā)生時緊急停機?？刂葡到y(tǒng)的起始畫面如圖所示，起始畫面中組態(tài)了一個切換開關(guān)，用于控制系統(tǒng)的停止與運行，另外還組態(tài)

33、了四個按鈕，分別標有名稱，單擊按鈕則可進入相應畫面，在起始畫面中單擊向下按鈕進入“鏟板運動”畫面（與單擊鏟板運動按鈕等效）。起始畫面在“鏟板運動”監(jiān)控畫面中，組態(tài)了一個“棒圖”用于實時顯示鏟板與地平面間的垂直距離，通過監(jiān)控畫面操作司機可方面的了解到鏟板的狀態(tài)，在畫面的右下角組態(tài)了報警窗口，當鏟板垂直上下運動超過系統(tǒng)設(shè)置值時，則監(jiān)控系統(tǒng)會自動彈出報警窗口并提示“鏟板運動超限”。鏟板運動畫面懸臂運動畫面懸臂水平運動畫面懸臂垂直運動畫面在懸臂水平運動與垂直兩個畫面中各組態(tài)了一個趨勢圖，用于顯示懸臂運動隨時間變化曲線，并將數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)的儲存卡中。并組態(tài)了數(shù)值顯示窗口，用于實時顯示數(shù)據(jù)指針所在位置時答

34、應懸臂運動數(shù)值。與鏟板畫面類似，這兩個畫面也組態(tài)了報警窗口，用于顯示懸臂水平擺動或垂直擺動超過巷道挖掘的邊界線時報警信息。思考題：初級：1、懸臂式掘進機的基本組成和工作原理。高級：1、懸臂式掘進機智能化發(fā)展趨勢有哪些？2、懸臂式掘進機監(jiān)控的新技術(shù)有哪些？參考文獻1 蘇巴塞爾著，趙殿明譯.掘進機M北京：煤炭工業(yè)出版社，1980.5-232 雷覺天液壓工程手冊M北京：機械工業(yè)出版社，199028-293 黃日恒.懸臂掘進機M.北京：中國礦業(yè)大學出版社，1996.15-244 Neil, Taylor. A First Look at Roadheader Construction and Estimating Techniques for Site Characterization at Yucca Mountain, Nevada. HLNWC Las Vegas, 2007.51-535 叢鐵軍.巷道掘進機M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1982.5-176 吳翠艷.懸臂式掘進機發(fā)展與展望J.水力采煤與管道運輸，1997（3）：10-127 任葆銳.煤及半煤巖巷道掘進設(shè)備技術(shù)發(fā)展及思考J.煤礦機電，2006（5）：21-238 張士勇.懸臂掘進機巷道斷面成形控制研究D：碩士學位論文.西安：西安科技大學，19999 汪昌齡，韓崎.我國掘進機發(fā)展分析J.煤礦機械