懸臂式掘進機智能化控制系統的設計與驗證

趙 剛

（西山煤電集團官地礦，山西 太原 030053）

引言

據統計表明，我國煤礦綜采工作面的生產效率可達90%，而掘進工作面的生產效率僅為49%。在實際生產中綜采效率和掘進效率的不平衡已嚴重制約煤礦的生產能力。針對掘進工作面，制約其生產效率的關鍵在于掘進機控制系統無法實時獲取數據對設備進行定位，無法實現對設備的遠程監控等。除此之外，掘進機控制系統的落后還會導致巷道成型質量較差，影響后續采煤效率[1]。因此，本文將著重對掘進機智能化控制系統進行設計，并對其控制效果進行驗證。

1 智能化控制需求分析

1.1 控制過程分析

本文以懸臂式掘進機為研究對象，其主要部件分為截割部、行走部以及裝載部，如圖1所示。

如圖1所示，截割部與巖層、煤層直接接觸，由裝運機構將截割部截割掉落的巖石、煤炭，通過裝運機構的鏟板通過第一運輸機運送出巷道。在實際截割過程中，掘進機截割部可根據實際工作面情況由升降液壓油缸控制截割頭自身旋轉、左右、上下以及伸縮等運動，從而實現對不同位置巖層或煤層的截割任務。

圖1 掘進機整體結構示意圖

1.2 掘進機控制需求的分析

為實現對工作面的高效掘進以及最終成型高質量的巷道，要求掘進機控制系統能夠根據巖層條件、工作面實際情況對截割部、行走部等機構實現智能化控制，具體需對掘進機機身姿態位置參數的監控、對掘進機截割部截割頭姿態的監控、能夠實時感知所在位置區域煤層或巖層的特征、實現對斷面的自動成型控制以及實現對掘進機的遠程監測和控制功能[2]。

1）掘進機機身姿態位置參數的監測。為保證最終巷道成型質量，要求實時掌握掘進機所處的位置及姿態參數，本方案將采用高精度捷聯式慣導和地磁融合共同獲取掘進機姿態位置參數的信息。

2）掘進機截割部截割頭姿態參數的監測。在掘進機機身位置參數準確的基礎，在水平回轉液壓油缸、垂直升降液壓油缸以及伸縮液壓油缸的共同控制下保證其截割部截割頭姿態參數的準確才能夠保證巷道成型的質量。本方案將采用磁致伸縮式位移傳感器和傾角儀實現對截割頭截割部姿態參數的監測。

3）煤巖特征的感知。該項控制需提取掘進機由空轉到截割煤層、巖層時截割電機的電流以及各液壓裝置的壓力的變化等特征信號判斷掘進機實時工作對象[3]。

4）實現對工作面斷面的自動成型控制。在實際掘進截割過程中，要求智能控制系統根據掘進機機身的偏移量，對掘進機液壓控制系統中油缸位移量、壓力、截割速度、電流等參數的獲取實現對掘進機截割部截割頭速度、轉速等參數的控制，實現對斷面成型的自動化控制。

5）遠程監測控制。要求操作人員可在地面實現對掘進機工作面狀態的監測和控制。

2 掘進機智能化控制系統的設計

結合掘進機智能化控制需求和控制目的，可通過DSP處理器、DSP處理器+CPLD系統、DSP+FPGA控制三種控制系統實現。經對比分析可知：

1）基于DSP處理器為核心的控制系統存在控制集成度不高，控制邏輯功能少的缺陷；

2）基于DSP處理器+CPLD為核心的控制系統具有豐富的外設濟源，擁有擴展數據采集、外事部通信、精確控制、遠程監控等模塊，此外，該控制系統的編程難度低，對應的電路設計簡單；

3）基于DSP+FPGA控制系統存在算法移植困難、研制周期長、研發成本高等缺陷。

綜上所述，采用以DSP+CPLD為核心的控制系統實現對掘進機的智能化控制。

2.1 智能化控制系統的硬件設計

本節將著重對掘進機智能化控制系統的數據量結構、數字量采集接口、模擬量采集接口、控制量DA輸出接口、通信接口以及存儲模塊進行設計，具體如表1所示。

表1 掘進機智能化控制系統的硬件匯總

2.2 智能化控制系統的軟件設計

掘進機智能化控制系統的最終目的是保證設備能夠實現對斷面的自動成型控制，并保證最終巷道的成型質量可支撐下一階段采煤工作的進行[4]。為此，結合實際生產需求，掘進機智能化控制系統將在合理斷面控制方法的基礎上基于精確的斷面自動成型控制程序實現斷面自動成型控制。一般的斷面控制方法流程如圖2所示。結合斷面自動成型控制程序實現對掘進機的智能化控制。斷面自動成型控制程序如圖3所示。

圖2 斷面控制流程

圖3 斷面自動成型控制程序流程圖

3 掘進機智能化控制系統的驗證

掘進機智能化控制系統的最終控制目的是保證巷道的成型質量和控制精度，即保證掘進機截割部和行走部能夠根據工作面的實際情況進行智能化控制，保證其截割路徑能夠根據預設的路徑準確完成任務[5]。為此，本文在實驗室搭建如圖4所示的實驗平臺對智能化控制效果進行驗證。

圖4 實驗室驗證平臺

如下頁圖5所示，截割部截割頭實際軌跡與理論軌跡幾乎重合，說明所設計的智能化控制系統能夠精準控制截割頭的位置，實現斷面的自動成型控制。

圖5 截割頭實際軌跡與理論軌跡的對比

4 結語

掘進機為煤礦生產的關鍵設備，其掘進效率和掘進質量直接影響采煤階段的生產效率。當前，我國煤礦普遍存在掘進效率和采煤效率不匹配的問題。為此，本文以DSP+CPLD控制器為核心設計掘進機智能化控制系統，經實驗室搭建驗證平臺試驗可知，所設計的掘進機智能化控制系統能夠實現對截割頭的精準控制，即實現對截割頭的斷面自動成型控制。