礦井掘進機智能截割控制系統的應用

郝劍云

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

隨著科學技術的進步，煤礦井下綜采作業效率不斷提升，對巷道掘進的速度和一次成型質量提出了更高的要求，傳統的巷道掘進作業方案中，主要是依靠人工操作掘進機截割機構進行掘進作業，由于井下能見度差，人工操控時需要精神高度集中，極易出現人員疲勞和掘進機截割機構觸頂事故，造成掘進機構的損壞，不僅嚴重影響井下巷道的掘進作業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機智能截割控制系統，實現對掘進機截割作業的智能控制，滿足井下掘進安全和巷道成形質量的需求[1]。

1 掘進機智能截割控制原理

該掘進機智能截割控制系統的核心點在于增加了一個虛擬現實平臺，該平臺首先是建立井下巷道的三維模擬圖形和掘進機的三維模型，同時將井下采煤機上設置多類型的傳感器設備，由各傳感器設備對掘進機在工作過程中的位置、截割狀態、截割高度、截割轉速等進行實時監控，將監控數據利用高速數據通信網絡傳輸到地面控制中心。該數據庫和掘進機虛擬模型動作數據庫采用虛擬優化選擇邏輯進行對比，使掘進機虛擬模型動作和井下掘進機實物的動作狀態相連通，這樣控制人員在地面控制中心通過控制掘進機在虛擬巷道內的掘進時間、掘進姿態、掘進軌跡即可實現對井下巷道內掘進機掘進作業的控制，同時通過虛擬狀態數據和實際運行狀態數據的對比，實現對井下掘進機截割作業狀態的不斷修正，滿足精確截割控制的需求。其控制模式包括自動截割控制和手動遠程操作控制兩個部分，在地質條件穩定性好的狀態下可以實現掘進機的自動截割控制作業，當在復雜地質條件下時可以采用人工遠程控制的模式，實現對井下掘進作業的高效控制，具有安全性高、控制精確、靈敏性好的優點，該礦井掘進機智能截割控制系統的控制邏輯如圖1所示[2]。

圖1 礦井掘進機智能截割控制邏輯

2 掘進機虛擬控制平臺的建立

采用三維建模和編輯控制軟件建立煤礦井下巷道和掘進機的三維模型并利用3DSMAX 軟件[3]進行三維坐標軸的調整和建模，在進行建模時為了簡化建模的難度，將掘進機實際作業過程中不參與運動的部分融合為一體，參與運動的部分按實際的銷接方式進行建模，滿足三維虛擬可視化控制的需求。井下掘進機遠程操控和虛擬仿真控制器之間的數據通信采用了集成化的高速有線傳輸控制系統，通過DSP控制核心板來采集掘進機的遠程操作和調整控制指令并將數據信息傳遞給數據庫，便于虛擬控制中心來實時調用數據庫中的控制指令。在實際的操作控制中，位于掘進機機身上的傳感器設備將采集到的掘進機的位置數據和姿態數據傳輸到數據庫內，同時虛擬掘進機的運行控制狀態也同步傳輸到數據庫內，對兩組數據進行對比，實現對井下掘進機作業狀態的修正，掘進機虛擬操作控制界面如下頁圖2 所示[4]，由該控制界面可知，對掘進機的虛擬截割控制主要包括了18 組控制數據，對應的在掘進機相應的位置設置有18 組傳感器設備，通過掘進機虛擬操作控制界面能夠直觀顯示出掘進機的實際工作狀態。

圖2 掘進機虛擬操控界面示意圖

3 掘進機虛擬記憶截割控制方案

掘進機在自動截割控制模式下采用的是記憶截割控制邏輯，首先人工控制掘進機在煤礦井下巷道內進行掘進截割作業，將掘進機作業過程中的位置信息、截割機構運動姿態信息等均傳輸到虛擬控制系統的數據庫內，然后對掘進機的姿態信息進行自動擬合，先復現出掘進機人工示范的掘進軌跡，再通過人工修正，最終規劃出掘進機在自動控制方案下的記憶截割路徑。掘進機一旦執行自動截割控制，將根據在虛擬巷道內的位置，自動提取數據庫內對應位置的掘進機截割作業姿態信息，控制掘進機按設定的截割作業姿態運行，同時掘進機上的傳感器采集掘進機的實際運行狀態信號返回到數據庫內，通過對比再自動對掘進機的運行姿態進行調整，形成閉環反饋控制，滿足掘進機自動截割控制作業需求[5]。該掘進機的虛擬記憶截割控制方案主要是根據煤礦井下綜采面的實際地質情況，在人工截割地質狀態相同的工況下，自動根據與人工截割所對應的位置狀態信息對掘進機截割狀態進行調整，同時還能對下一階段的運行狀態進行判斷，提前規劃掘進機截割姿態的變化和截割轉速的變動等，實現對掘進機在總體作業過程中作業穩定性和效率的控制，有效提升掘進機煤礦井下綜采作業的經濟性和安全性，該掘進機虛擬記憶截割控制邏輯如圖3 所示。

礦井掘進機的遠程控制需要通過專用的遠程控制器來實現，該遠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人員可以控制掘進機按照控制人員的指令進行作業，在智能自主控制模式下，系統根據預設的煤礦井下巷道截割控制要求和掘進機的姿態進行自主控制下的掘進作業。掘進機遠程控制器主要包括控制面板、模擬量信號轉換器、電平轉換模塊、DSP 核心控制板、穩壓電源等。在控制過程中該遠程控制器需要能夠滿足最低1 500 m 的遠程控制需求，在控制過程中需要確保信號傳輸的穩定性和準確性，滿足手動控制和自動控制的靈活切換，該礦井掘進機遠程控制器結構組成如圖4 所示。

圖3 掘進機記憶截割控制邏輯示意圖

圖4 掘進機遠程控制器結構示意圖

4 結論

1）該智能控制系統，增加了一個可視化的虛擬平臺，能夠實現對掘進機運行的自動截割控制和手動遠程操作控制，具有安全性高、控制精確、靈敏性好的優點。

2）該控制系統通過DSP 控制核心板來采集掘進機的遠程操作和調整控制指令，并將數據信息傳遞給數據庫，便于虛擬控制中心實時調用數據庫中的控制指令，能夠實現對掘進機截割姿態的控制和修正。

3）掘進機在自動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截割控制需求。