掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)易自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)的研究

毛凱凱

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城事業(yè)部五人組， 山西 晉城 048000）

引言

掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)中一般采用人工截割控制模式，截割效率和巷道成型質(zhì)量嚴(yán)重依賴(lài)于作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，受井下惡劣環(huán)境和人員疲勞度的影響，極易產(chǎn)生截割不到位的情況[1]，從而影響井下煤炭開(kāi)采效率。目前一些新型的掘進(jìn)設(shè)備開(kāi)始采用記憶截割控制，初步實(shí)現(xiàn)了井下巷道的無(wú)人化掘進(jìn)，但該模式的控制邏輯復(fù)雜，難以應(yīng)用在老式掘進(jìn)機(jī)上，因此本文提出了一種新的基于PID 控制的簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先對(duì)煤層分布情況的探測(cè)，將地質(zhì)條件數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中，然后根據(jù)掘進(jìn)作業(yè)需求，以掘進(jìn)方向上的位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)，設(shè)定在不同位置時(shí)的截割姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中的自動(dòng)控制[1]。

1 簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)的介紹

在控制系統(tǒng)中輸入截割控制邏輯后，對(duì)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割的控制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)搖臂升降和機(jī)身回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割作業(yè)時(shí)，根據(jù)調(diào)節(jié)信號(hào)控制各執(zhí)行油缸的動(dòng)作，對(duì)執(zhí)行油缸的控制主要是通過(guò)比例放大器調(diào)節(jié)各個(gè)控制閥開(kāi)口的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)搖臂升降和搖臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制是為了讓截割機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的截割路徑進(jìn)行截割作業(yè)，此時(shí)設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的各類(lèi)傳感器對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)測(cè)信息和系統(tǒng)中理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷截割作業(yè)的偏差情況，然后根據(jù)偏差量進(jìn)行調(diào)整，保證自動(dòng)截割作業(yè)的精確性。該控制方案的優(yōu)點(diǎn)在于截割機(jī)構(gòu)能夠從任意位置開(kāi)始進(jìn)行截割作業(yè)，無(wú)需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的找正，從而保證了井下截割作業(yè)的靈活性，該掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)易自動(dòng)截割控制原理如圖1所示[2]。

圖1 簡(jiǎn)易截割控制邏輯示意圖

2 簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)的硬件分析

由于掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，且長(zhǎng)期在劇烈沖擊作用下工作，因此對(duì)截割控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可靠性要求很高。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確認(rèn)了該截割控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示[3]。

由圖2 可知，該截割控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括了主、從PID 控制器，監(jiān)測(cè)傳感器、電磁控制閥以及CAN 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，從PID 控制器主要用于對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)中的各類(lèi)電磁閥的動(dòng)作進(jìn)行控制，根據(jù)截割作業(yè)時(shí)的不同需求控制各電磁閥的開(kāi)度和動(dòng)作方向，滿(mǎn)足截割作業(yè)時(shí)不同截割速度、截割方向快速變化的需求。主PID 控制器主要是接收各監(jiān)測(cè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行判斷，確定下一階段掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作路徑。在該控制系統(tǒng)中各類(lèi)數(shù)據(jù)信息的傳遞均通過(guò)CAN 數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行，滿(mǎn)足在井下惡劣環(huán)境中數(shù)據(jù)通信安全性的需求。

圖2 截割控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，所有接口均采用了標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，便于后續(xù)的升級(jí)。在工作時(shí)系統(tǒng)首先通過(guò)各類(lèi)傳感器設(shè)備對(duì)掘進(jìn)機(jī)各油缸的行程、俯仰角進(jìn)行監(jiān)控，然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到主PID 控制器中，完成數(shù)據(jù)信息的分析，確定掘進(jìn)機(jī)的截割姿態(tài)，然后將數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)前的理論截割姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，獲取各個(gè)數(shù)據(jù)信息之間的差值，然后獲取各個(gè)數(shù)據(jù)的調(diào)整量，通過(guò)CAN 數(shù)據(jù)總線(xiàn)將信息傳遞到從PID 控制器中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，控制各電磁閥動(dòng)作，滿(mǎn)足調(diào)整需求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)的自動(dòng)控制。

3 簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)PID 控制原理

PID 控制是一種邏輯性很強(qiáng)的線(xiàn)性控制器，在工作時(shí)系統(tǒng)將測(cè)定的掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)偏差量輸入到PID控制器中，系統(tǒng)利用設(shè)定好的控制邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、修正，然后輸出控制信號(hào)，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，為了確保調(diào)節(jié)的精確性，系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制的原理，在調(diào)整過(guò)程中不斷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而確保自動(dòng)截割作業(yè)過(guò)程中的控制精確性，PID 控制邏輯如圖3 所示[4]，其中：e（t）表示偏差量；u（t）表示修正后的調(diào)節(jié)控制量；y（t）表示輸出的控制信號(hào)。

4 簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況

為了對(duì)簡(jiǎn)易自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文在現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)其截割控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，然后利用其進(jìn)行自動(dòng)截割作業(yè)，對(duì)截割作業(yè)過(guò)程中的截割路徑進(jìn)行跟蹤測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

由跟蹤測(cè)量結(jié)果可知，掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)易自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的控制精度高、截割一致性好，截割偏差約±1°，有效地提升了截割時(shí)的巷道成型質(zhì)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)該簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕陆馗钚侍嵘?9.6%，巷道一次截割成型率提升47.8%，對(duì)提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。

圖3 PID 控制邏輯示意圖

圖4 自動(dòng)截割控制路徑示意圖

5 結(jié)論

針對(duì)目前掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)控制穩(wěn)定性差、巷道截割質(zhì)量低，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)效率的問(wèn)題，本文提出了一種簡(jiǎn)易的自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)，根據(jù)分析表明：

1）簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，截割機(jī)構(gòu)能夠從任意位置開(kāi)始進(jìn)行截割作業(yè)，無(wú)需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的找正，從而保證了井下截割作業(yè)的靈活性；

2）該數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，所有接口均采用了標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，能夠快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，便于后續(xù)的升級(jí)；

3）該簡(jiǎn)易截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕陆馗钚侍嵘?9.6%，巷道一次截割成型率提升47.8%，對(duì)提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。