礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用

郝劍云

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，煤礦井下綜采作業(yè)效率不斷提升，對(duì)巷道掘進(jìn)的速度和一次成型質(zhì)量提出了更高的要求，傳統(tǒng)的巷道掘進(jìn)作業(yè)方案中，主要是依靠人工操作掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，由于井下能見(jiàn)度差，人工操控時(shí)需要精神高度集中，極易出現(xiàn)人員疲勞和掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)觸頂事故，造成掘進(jìn)機(jī)構(gòu)的損壞，不僅嚴(yán)重影響井下巷道的掘進(jìn)作業(yè)效率而且給控制人員的人身安全造成了較大的威脅，因此提出一種新的掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)的智能控制，滿足井下掘進(jìn)安全和巷道成形質(zhì)量的需求[1]。

1 掘進(jìn)機(jī)智能截割控制原理

該掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的核心點(diǎn)在于增加了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，該平臺(tái)首先是建立井下巷道的三維模擬圖形和掘進(jìn)機(jī)的三維模型，同時(shí)將井下采煤機(jī)上設(shè)置多類型的傳感器設(shè)備，由各傳感器設(shè)備對(duì)掘進(jìn)機(jī)在工作過(guò)程中的位置、截割狀態(tài)、截割高度、截割轉(zhuǎn)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)利用高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。該?shù)據(jù)庫(kù)和掘進(jìn)機(jī)虛擬模型動(dòng)作數(shù)據(jù)庫(kù)采用虛擬優(yōu)化選擇邏輯進(jìn)行對(duì)比，使掘進(jìn)機(jī)虛擬模型動(dòng)作和井下掘進(jìn)機(jī)實(shí)物的動(dòng)作狀態(tài)相連通，這樣控制人員在地面控制中心通過(guò)控制掘進(jìn)機(jī)在虛擬巷道內(nèi)的掘進(jìn)時(shí)間、掘進(jìn)姿態(tài)、掘進(jìn)軌跡即可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下巷道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)的控制，同時(shí)通過(guò)虛擬狀態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)狀態(tài)的不斷修正，滿足精確截割控制的需求。其控制模式包括自動(dòng)截割控制和手動(dòng)遠(yuǎn)程操作控制兩個(gè)部分，在地質(zhì)條件穩(wěn)定性好的狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制作業(yè)，當(dāng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下時(shí)可以采用人工遠(yuǎn)程控制的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)作業(yè)的高效控制，具有安全性高、控制精確、靈敏性好的優(yōu)點(diǎn)，該礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的控制邏輯如圖1所示[2]。

圖1 礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制邏輯

2 掘進(jìn)機(jī)虛擬控制平臺(tái)的建立

采用三維建模和編輯控制軟件建立煤礦井下巷道和掘進(jìn)機(jī)的三維模型并利用3DSMAX 軟件[3]進(jìn)行三維坐標(biāo)軸的調(diào)整和建模，在進(jìn)行建模時(shí)為了簡(jiǎn)化建模的難度，將掘進(jìn)機(jī)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中不參與運(yùn)動(dòng)的部分融合為一體，參與運(yùn)動(dòng)的部分按實(shí)際的銷接方式進(jìn)行建模，滿足三維虛擬可視化控制的需求。井下掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操控和虛擬仿真控制器之間的數(shù)據(jù)通信采用了集成化的高速有線傳輸控制系統(tǒng)，通過(guò)DSP控制核心板來(lái)采集掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程操作和調(diào)整控制指令并將數(shù)據(jù)信息傳遞給數(shù)據(jù)庫(kù)，便于虛擬控制中心來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的控制指令。在實(shí)際的操作控制中，位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上的傳感器設(shè)備將采集到的掘進(jìn)機(jī)的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，同時(shí)虛擬掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行控制狀態(tài)也同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)作業(yè)狀態(tài)的修正，掘進(jìn)機(jī)虛擬操作控制界面如下頁(yè)圖2 所示[4]，由該控制界面可知，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的虛擬截割控制主要包括了18 組控制數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的在掘進(jìn)機(jī)相應(yīng)的位置設(shè)置有18 組傳感器設(shè)備，通過(guò)掘進(jìn)機(jī)虛擬操作控制界面能夠直觀顯示出掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)虛擬操控界面示意圖

3 掘進(jìn)機(jī)虛擬記憶截割控制方案

掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)截割控制模式下采用的是記憶截割控制邏輯，首先人工控制掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下巷道內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)截割作業(yè)，將掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過(guò)程中的位置信息、截割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息等均傳輸?shù)教摂M控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，然后對(duì)掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)擬合，先復(fù)現(xiàn)出掘進(jìn)機(jī)人工示范的掘進(jìn)軌跡，再通過(guò)人工修正，最終規(guī)劃出掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)控制方案下的記憶截割路徑。掘進(jìn)機(jī)一旦執(zhí)行自動(dòng)截割控制，將根據(jù)在虛擬巷道內(nèi)的位置，自動(dòng)提取數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)對(duì)應(yīng)位置的掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)姿態(tài)信息，控制掘進(jìn)機(jī)按設(shè)定的截割作業(yè)姿態(tài)運(yùn)行，同時(shí)掘進(jìn)機(jī)上的傳感器采集掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)返回到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，通過(guò)對(duì)比再自動(dòng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，形成閉環(huán)反饋控制，滿足掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制作業(yè)需求[5]。該掘進(jìn)機(jī)的虛擬記憶截割控制方案主要是根據(jù)煤礦井下綜采面的實(shí)際地質(zhì)情況，在人工截割地質(zhì)狀態(tài)相同的工況下，自動(dòng)根據(jù)與人工截割所對(duì)應(yīng)的位置狀態(tài)信息對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)還能對(duì)下一階段的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，提前規(guī)劃掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)的變化和截割轉(zhuǎn)速的變動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在總體作業(yè)過(guò)程中作業(yè)穩(wěn)定性和效率的控制，有效提升掘進(jìn)機(jī)煤礦井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，該掘進(jìn)機(jī)虛擬記憶截割控制邏輯如圖3 所示。

礦井掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制需要通過(guò)專用的遠(yuǎn)程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該遠(yuǎn)程控制器包括了手工控制模式和智能自主控制模式，在手工控制模式下作業(yè)人員可以控制掘進(jìn)機(jī)按照控制人員的指令進(jìn)行作業(yè)，在智能自主控制模式下，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的煤礦井下巷道截割控制要求和掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行自主控制下的掘進(jìn)作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器主要包括控制面板、模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換模塊、DSP 核心控制板、穩(wěn)壓電源等。在控制過(guò)程中該遠(yuǎn)程控制器需要能夠滿足最低1 500 m 的遠(yuǎn)程控制需求，在控制過(guò)程中需要確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性，滿足手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的靈活切換，該礦井掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器結(jié)構(gòu)組成如圖4 所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)記憶截割控制邏輯示意圖

圖4 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）該智能控制系統(tǒng)，增加了一個(gè)可視化的虛擬平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)截割控制和手動(dòng)遠(yuǎn)程操作控制，具有安全性高、控制精確、靈敏性好的優(yōu)點(diǎn)。

2）該控制系統(tǒng)通過(guò)DSP 控制核心板來(lái)采集掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程操作和調(diào)整控制指令，并將數(shù)據(jù)信息傳遞給數(shù)據(jù)庫(kù)，便于虛擬控制中心實(shí)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的控制指令，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)的控制和修正。

3）掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)截割控制模式下采用的是記憶截割控制邏輯，能夠滿足在不同地形條件下的自動(dòng)截割控制需求。