掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李鵬飛，張曉娟

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037001；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

引言

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行巷道掘進(jìn)不可或缺的設(shè)備，在煤礦開采中被大量的應(yīng)用。由于巷道掘進(jìn)過程中的工作條件惡劣，掘進(jìn)機(jī)自動化截割技術(shù)尚不成熟，造成礦井的采掘失調(diào)[1]，不利于煤礦生產(chǎn)效率的提升。針對掘進(jìn)機(jī)截割的控制過程，將自動化控制技術(shù)與掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動結(jié)合起來，建立掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)截割系統(tǒng)，并進(jìn)一步展開應(yīng)用分析。

1 掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)通過自身的移動及截割機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行巷道掘進(jìn)，在進(jìn)行自動截割時(shí)，掘進(jìn)機(jī)依據(jù)設(shè)定的參數(shù)及控制程序，主要對油缸的運(yùn)動進(jìn)行控制，并對礦井的信息進(jìn)行監(jiān)測。自適應(yīng)截割系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行巷道的自動截割，截割路徑的記憶及規(guī)劃，依據(jù)礦井信息進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)速[2-3]，進(jìn)行截割頭軌跡的計(jì)算。

采用基于PCC 結(jié)合工控機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示。其主要功能包括截割頭姿態(tài)的測量及調(diào)整，截割路徑的規(guī)劃及跟蹤，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信及上位機(jī)可視化的顯示。

圖1 自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)的整體方案

PCC 結(jié)合工控機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)通過采集截割臂油缸的位移、溫度、流量等信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至PCC 進(jìn)行存儲，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算得到截割頭的位置信息，并將其傳輸至工控機(jī)。PCC 依據(jù)巷道的掘進(jìn)工藝及尺寸參數(shù)信息進(jìn)行截割路徑及調(diào)速模塊的計(jì)算，通過PP480 工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，通過截割路徑及軌跡的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算，并將控制指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制液壓系統(tǒng)的動作，實(shí)現(xiàn)對截割頭的自適應(yīng)控制。

掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的截割，其功能設(shè)計(jì)的流程如圖2 所示，主要包括自動截割及手動截割兩種控制模式，手動、半自動及全自動三種操作方式，在滿足自動截割的條件時(shí)，依據(jù)巷道環(huán)境及截面參數(shù)進(jìn)行自動截割，可進(jìn)行人為的干預(yù)，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，無法滿足自動截割時(shí)，進(jìn)行手動控制作業(yè)，包含直接控制設(shè)備及進(jìn)行遠(yuǎn)程控制功能。

圖2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)流程

2 掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)的控制功能實(shí)現(xiàn)

依據(jù)掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)的功能進(jìn)行控制系統(tǒng)的功能開發(fā)，控制系統(tǒng)的硬件控制流程如下頁圖3所示，控制系統(tǒng)硬件部分主要包括檢測單元、控制單元、控制傳輸單元及執(zhí)行單元。檢測截割頭位置的傳感器分布在截割臂的機(jī)械本體內(nèi)，用于檢測油缸的位移伸縮量，并反饋給控制系統(tǒng)，依據(jù)截割頭的空間位置，建立掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動模型，并計(jì)算出截割頭在巷道中的位置，依據(jù)檢測到的截割電機(jī)的電流，可以描繪出掘進(jìn)機(jī)三種不同的截割方式在巷道中的運(yùn)動軌跡，從而依據(jù)巷道環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。截割電機(jī)的電流參數(shù)反映了截割頭進(jìn)行作業(yè)的巷道煤壁的硬度，可自動控制截割頭的速度，自動適應(yīng)截割過程。當(dāng)存在較硬煤巖時(shí)，截割電流過載，控制系統(tǒng)控制截割頭對截割路徑進(jìn)行重新調(diào)整，避開較硬煤巖，保護(hù)截割頭及截割電機(jī)免受損害。

圖3 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的硬件控制流程

控制傳輸單元主要由PC、工控面板、遙控器及操作手柄組成，PC 及工控面板之間采用CAN 通信，內(nèi)部含有多個(gè)IO 模塊，實(shí)現(xiàn)對檢測單元多個(gè)傳感器信號的采集及監(jiān)測，PC 發(fā)出的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換傳輸，輸出到不同的執(zhí)行模塊。掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)在作業(yè)過程中，由檢測單元給定系統(tǒng)截割頭的狀態(tài)及位置、截割電機(jī)的電流、電壓及油缸的位移等實(shí)時(shí)參數(shù)，經(jīng)控制信號進(jìn)行采集存儲，控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析后控制掘進(jìn)機(jī)的動作，實(shí)現(xiàn)對巷道的自動截割。

掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)采用PID 調(diào)節(jié)的控制方法，需要采集響應(yīng)的反饋信號實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，截割機(jī)構(gòu)的上下位置通過安裝在回轉(zhuǎn)臺中心的位移傳感器進(jìn)行采集，左右位置通過旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行采集，俯仰角及滾動角的位置通過傾角傳感器進(jìn)行采集。自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)的PID 控制原理如圖4 所示，經(jīng)過傳感器采集的信號，計(jì)算實(shí)際值與理論值的偏差，控制器中將偏差值作為輸入信號，經(jīng)過PID 控制器的計(jì)算，對輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)反饋控制。PID 控制器采用主從控制的形式，主控制器進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集，從控制器進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，兩者之間采用CAN 總線的形式通信，由此可以提高截割控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖4 自適應(yīng)截割系統(tǒng)控制原理

3 應(yīng)用效果分析

巷道斷面的形狀及掘進(jìn)效率與煤礦的安全生產(chǎn)效率具有直接的影響，實(shí)際進(jìn)行截割的過程中，考慮到煤巖的賦存及巷道的形狀、地質(zhì)條件的變化，多選用較為方便的截割方式，降低截割的阻力，從而便于實(shí)現(xiàn)自動截割系統(tǒng)的應(yīng)用。針對掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割的需求，設(shè)計(jì)PCC 結(jié)合工控機(jī)自適應(yīng)截割系統(tǒng)架構(gòu)，滿足巷道掘進(jìn)的需求，進(jìn)行了系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及控制流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于PID 控制方式的掘進(jìn)機(jī)自動截割系統(tǒng)。對所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用及分析，在自動與手動截割兩種不同的方式中，自動截割所需的時(shí)間較短，可以提高系統(tǒng)的掘進(jìn)效率，從而提高煤礦的綜合效率，滿足自動化生產(chǎn)的需求。