掘進機遠程智能控制系統(tǒng)的設計及應用分析

吳冬冬

（蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西晉城048000）

在進行煤礦建設和煤炭生產(chǎn)的過程中，巷道掘進起著至關重要的作用。巷道掘進在生產(chǎn)和加工時具有推進工程量大、安全隱患高的特點，但在使用過程中從業(yè)人數(shù)卻非常廣。據(jù)數(shù)據(jù)反饋，從事巷道掘進所造成的安全事故是同類行業(yè)事故中最多的。隨著近些年科技水平的進步，巷道挖掘技術已經(jīng)通過機械設備所實現(xiàn)，但是其在控制方面仍沒有完全達到智能化和自動化。與煤礦工程的其他設備工作面進行比較，在掘進工作面上所引進智能化技術偏少。在礦井下進行工作時，掘進設備主要是靠單臺機器來進行工作，并不能夠與其他機械進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)協(xié)同化和智能化工作，這就往往造成掘進設備工作起來效率低、自動化程度不高，因此為了促進掘進技術的發(fā)展，應當要求發(fā)展創(chuàng)新特點，對掘進工作面進行科研攻堅，盡快實現(xiàn)其設備的自動化發(fā)展思路。而進行科研的重點應該放在礦用掘進機上，可通過智能化技術的加持，盡快對其作業(yè)狀態(tài)進行升級，達到自動化控制，減少事故的發(fā)生率[1]。

綜上所述，在現(xiàn)有的掘進設備的技術上，若能再輔助一些智能化控制改進措施，則可以提高礦井的掘進效率，同時也可以減少事故的安全隱患，研究該方向具有很強的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有掘進機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前，在對掘進機的設計過程中發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)自動化，要對其進行控制系統(tǒng)的設計，主要工作是明確掘進機的預計動作實現(xiàn)以及故障排除的工作，但是掘進機在礦井下進行生產(chǎn)工作時，其實際工作狀態(tài)總是有意外情況產(chǎn)生，所以目前對掘進機的控制系統(tǒng)設計并不能夠正常運行，主要存在以下問題：

（1）現(xiàn)有的掘進機控制芯片一般采用的是單片機，很少采用更為便利的PLC 控制，且在邏輯語言上也存在處理能力弱、運行速度慢的缺點。

（2）在設計階段發(fā)現(xiàn)，目前所采用的CPU處理器較落后，如果在礦井下工作時面對復雜狀況，因為其運算能力差而沒辦法進行精確的計算以至于做出相應控制。

（3）采用的控制系統(tǒng)對突發(fā)狀況預警存在不及時情況，如環(huán)境變化所引起的溫度等狀況，僅能夠在返回時得到預定需采集的數(shù)據(jù)。

（4）該控制系統(tǒng)在對所采集的數(shù)據(jù)沒有辦法及時回傳，只能起到保存作用，這就決定其無法根據(jù)現(xiàn)場實際情況來回傳數(shù)據(jù)，從而做出相應判斷。

通過對目前掘進機的控制系統(tǒng)進行分析發(fā)現(xiàn)，對其控制系統(tǒng)進行研究具有很強的現(xiàn)實意義，同時將目前較為成熟的自動化技術運用到掘進機上，將會使整個礦井掘進的安全隱患減少且能使工作效率提高。

2 遠程智能控制系統(tǒng)方案設計

在以往的設計案例中發(fā)現(xiàn)，增加掘進機的遠程控制系統(tǒng)能力可以提升掘進機在礦井內(nèi)的工作效率，所以必須加強其遠程控制系統(tǒng)的建設?？刂葡到y(tǒng)的總體框架如圖1所示，其中包含有數(shù)據(jù)采集模塊、遠程通訊系統(tǒng)模塊、導航定位子系統(tǒng)、井下遠程集控中心、設備集控聯(lián)動、地面遠程集控中心等部分。數(shù)據(jù)采集模塊主要目標是實現(xiàn)井下集控，地面遠程控制，且能夠和總平臺實現(xiàn)實時對接和數(shù)據(jù)反饋的功能，從而實現(xiàn)自動化，其采集的數(shù)據(jù)主要包括動態(tài)類數(shù)據(jù)，如環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、姿態(tài)監(jiān)測、安全監(jiān)測系統(tǒng)、自動截割系統(tǒng)以及工作面視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時還有靜態(tài)類數(shù)據(jù)，如排水、供電、帶式輸送機、通風等設備數(shù)據(jù)。掘進機操控臺、防爆主機、四屏顯示器、防爆硬盤刻錄機、集控倉、鍵盤、鼠標等專業(yè)性軟件組成了井下遠程集控中心。而地面遠程集控中心則是由計算機主機、顯示器、工業(yè)交換機、操作面板燈組成的，其主要作用就是可以將地下采集的數(shù)據(jù)進行演示，并且能夠?qū)碌木蜻M設備實現(xiàn)遠程控制，包括開機和暫停等智能性操作[2]。

圖1 煤礦掘進機遠程智能控制系統(tǒng)總體框架

最后，在該系統(tǒng)中所用到的遠程通訊子系統(tǒng)是利用控制平臺的5G系統(tǒng)，將井下集控中心的交換機信息傳輸?shù)骄?，從而將井上信號傳遞給控制平臺而實現(xiàn)遠程通訊，該系統(tǒng)朱勇是結合了車載高清攝像儀、機電控制系統(tǒng)、安全防護傳感器、語音對講設備、井下集控中心、遙控收發(fā)裝置等所組成的網(wǎng)絡拓撲架構。該系統(tǒng)的操作模式可以結合多種操作模式，但現(xiàn)場操作可以優(yōu)先于其他操作模式，同時將其他模式鎖定，從而保證現(xiàn)場操作的安全性和準確性。

3 掘進機遠程智能控制系統(tǒng)中關鍵分系統(tǒng)設計

3.1 導航定位子系統(tǒng)設計

掘進機在實現(xiàn)智能化的過程中，限制其發(fā)展的技術是自動導航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心包括了截割頭定位技術和掘進機車身定位系統(tǒng)，并且整個子系統(tǒng)包含了CPU、激光物位儀、激光陀螺慣性導航、GPU、加速器、激光陀螺等組件。激光陀螺慣性導航和三維激光掃描儀融合技術驅(qū)動了掘進機的車身定位系統(tǒng)。三維激光掃描儀的成像如圖2所示，它的工作原理是用內(nèi)置的激光雷達對預定的相關標靶提前掃描，然后將掃描產(chǎn)生的云數(shù)據(jù)再發(fā)送給CPU 進行圖像處理，最終進行建模和計算的過程。與此同時，車身在工作時通過截割臂的一系列動作（如回轉、升降、伸縮等）末端的傳感器進行感應，將截割頭相對于巷道的具體位置進行收集和反饋。斷面自動截割成型的主要數(shù)據(jù)來源就是通過截割頭位置信息得到的。圖3反映的是導航定位子系統(tǒng)的總體框架。

圖2 三維掃描儀檢測

圖3 導航定位子系統(tǒng)總體框架

3.2 負載自適應控制技術設計

掘進機在井下進行工作時，如果忽略井下地質(zhì)條件的影響則會使得掘進機設備受到傷害，因為地質(zhì)的材質(zhì)不同區(qū)域、不同斷面的硬度差別很大，面對不同的地質(zhì)情況，掘進機的截割速度也要實時進行調(diào)整，所以在進行信號反饋時也需要對掘進機的工作負載進行研究。

對掘進機的工作負載進行研究，要實現(xiàn)其負載自適應技術，主要是通過輸入一些參數(shù)來判斷是否和工礦條件匹配，如截割升降油缸或截割回轉油缸壓力參數(shù)、機身航向角變動的頻率參數(shù)、截割電機電流參數(shù)，這些參數(shù)進行輸入時會和控制器上的PLC進行比較得到相關的負載匹配率η，然后在通過η對截割升降機和回轉機的電磁閥進行控制，從而通過控制電流改變其負載能力，就是通過這種方法來實現(xiàn)自適應負載的控制，從而使機器的運轉更平穩(wěn)，會避免因為超負載而造成對機器的損傷。圖4反映的是掘進機負載自適應控制邏輯。

圖4 掘進機負載自適應控制邏輯

3.3 姿態(tài)自調(diào)整及防撞技術研究

掘進機在工作過程中常因為位置發(fā)生變化影響截割的正常工作，主要是受到三方面的影響：一是因為被截割的巖石給機器的發(fā)作用力，導致掘進機發(fā)生了位移偏差。二是因為在掘進過程中為了保證整體成形的平整度，常常使機器在前進和后退時通過調(diào)整位置來保證截割頭在每次工作過程中的進給深度一致。三是因為機身的四個角配備有坐標器，不能相對于巷道側幫有偏差，如果距離低于了閾值時會自動觸發(fā)警報，同時通過控制器對機身進行實時位置調(diào)整。

以上三種情況都可以通過不同的控制方式來實現(xiàn)機身的自動調(diào)整方案，但考慮到掘進機是在履帶的作用下進行行走，結合其行走特點，所以通過分析決定改用將履帶的行走速度的絕對值設為固定值這種方式來實現(xiàn)自動調(diào)整，從而保證計算模型的精確性。

3.4 危險區(qū)域人員識別技術分析

在井下或危險區(qū)域進行工作時，往往發(fā)生安全事故的概率較大，因此為了提防在以上區(qū)域發(fā)生危險，所以特定設計了危險區(qū)域人員識別技術。這種技術的工作原理是當在開機運行過程中如果在附近5m監(jiān)測有人員活動，則會通過在機身上安裝的紅外傳感器進行精準定位，同時驅(qū)動聲光報警器進行報警，對進入附近的生產(chǎn)人員進行提醒；同時在該系統(tǒng)正常工作過程中，會將外界誤闖信息進行識別報警，從而反饋至監(jiān)控平臺上。

4 控制系統(tǒng)的應用效果分析

在掘進機中進行集成應用測試，通過該系統(tǒng)對掘進機進行綜合控制能力的測試，可以很好地對該控制系統(tǒng)的綜合性能進行驗證。在對該系統(tǒng)的應用過程進行調(diào)查分析時發(fā)現(xiàn)，其整體運行控制工程較好，可以在控制過程中通過采集模塊來實現(xiàn)對掘進機的不同作業(yè)姿態(tài)進行控制，同時可以將設備的一些運行參數(shù)進行收集和反饋，且能夠準確地將采集數(shù)據(jù)傳輸至控制平臺。另外，該平臺的導航定位系統(tǒng)可以根據(jù)設備的不同動作建立模型從而將數(shù)據(jù)和資料庫進行匹配，控制人員可以將采集的數(shù)據(jù)進行匯總和分析，從而對目前設備的各個零部件功耗情況進行分析，從而保證設備的安全使用。綜上所述，該系統(tǒng)在使用過程中運行平穩(wěn)，整體控制過程精確，自動化程度較高，能夠很好地實現(xiàn)掘進設備的自動控制，該設備的研發(fā)具有很強的應用價值。

5 結語

該研究是在對掘進機工作過程中難以實現(xiàn)遠程控制井下設備的基礎上進行的，采用了先進的控制設備升級了原有的智能控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)掘進機的自動控制功能，為井下的安全生產(chǎn)提供了保障。該研究是結合了原有的掘進機控制系統(tǒng)，在此基礎上進行了升級，并且對原有系統(tǒng)中的關鍵模塊進行了技術升級，最終通過實際案例對該系統(tǒng)在掘進機中的控制應用進行測試，總體控制運行效果較好，并且能夠及時地將掘進設備的實時數(shù)據(jù)進行采集和反饋至控制平臺，在控制平臺處理后通過顯示界面展示，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的實時導航定位功能。通過此系統(tǒng)的設計，可以使掘進機設備在工作時提高了生產(chǎn)效率，同時也提高了生產(chǎn)時的操作安全性。