掘進機截割部控制系統的設計分析

邢躍斌

（山西古交西山義城煤業有限責任公司，山西 古交 030203）

引言

煤礦井下綜掘工作面用掘進機具有采掘效率高、靈活性強、巷道斷面可控的優點而被廣泛應用。為保證掘進機安全生產，達到減員增效的目的，國內外科研院所對掘進機截割部自動控制系統展開一系列的研究，如德國艾柯夫公司設計的掘進機截割自動控制系統，將截割頭軌跡的控制精度精確至50 mm以內，最大定向距離可達400 m；英國ZED儀器公司設計的掘進機斷面成形控制系統可實時精準定位截割頭三維位置信息，極大提高了巷道斷面成形質量；日本三井三池公司設計的能夠自動調節截割功率的智能截割控制系統，在提高截割效率的同時極大降低了截割能耗[1-3]。國內的石家莊煤機、三一重工、中國煤科等單位也相繼對掘進機自動截割、截割路徑規劃、自適應截割等問題進行了深入的研究和探討，并在開灤錢家營礦、大同塔山礦等開展工業性試驗，取得了較好的試驗效果[4-5]。本文基于實時控制器，設計一種掘進機截割部控制系統，對掘進機截割部液壓油缸進行精確電液伺服控制，改善巷道成形質量，提高截割工作效率。

1 自動截割控制策略

掘進機截割控制系統由截割臂調高液壓油缸、回轉臺伸縮液壓油缸分別完成截割頭的垂直、水平控制。為實現掘進機自動截割控制，在掘進機液壓油缸、機身安裝傳感器裝置、配套的數據采集裝置、上位機控制系統、自動截割控制系統以及實時控制器，直接驅動截割臂調高液壓電液伺服閥、回轉臺伸縮液壓電液伺服閥工作。掘進機截割部自動截割控制系統框圖見圖1所示。安裝的兩通道距離傳感器分別實時監測調高液壓油缸以及回轉臺液壓油缸行進距離。數據采集卡將獲取的傳感器數據經A/D轉換后周期性地傳送給上位機控制系統。上位機控制系統將接收到的數據進行編程、轉換并下載至實時控制器的現場驅動控制器中，經D/A轉換后將驅動電壓信號直接作用于電液伺服閥，實現對截割臂精確調高控制、對回轉臺精確伸縮控制，從而控制掘進機截割頭的準確位置，最終實現對掘進機自動截割控制[6]。圖1中的智能經緯儀用于實時檢測截割頭的空間位置變化，并將數據經數據采集卡傳送給上位機控制系統。

圖1 掘進機截割部控制系統架構

2 掘進機截割控制系統硬件設計

掘進機截割控制系統硬件部分由傳感器單元、數據采集單元、實時控制單元以及液壓控制單元四部分組成，核心硬件主要包括距離傳感器、實時控制器及其I/O擴展、數據采集卡、智能經緯儀以及電壓伺服閥等。

傳感器單元：掘進機截割臂調高距離范圍為1 097.1~1 749.0 mm，回轉臺伸縮距離范圍為1 521.5~2 280.9 mm，選用HD-DS200CM紅外測距傳感器，輸出信號為0~5 V的電壓信號，測量范圍為1 000~3 000 mm，靈敏度為0.002 5 V/mm。智能經緯儀的激光接收裝置的安裝電位于掘進機機身中軸線對稱位置，成等邊三角形分布；在智能經緯儀的后方指定距離安裝檢測裝置，測量的掘進機機身的姿態參數為（θx，θy，θz，x，y，z），該六個掘進機截割頭空間參數實時變化[7]，以六路電壓信號傳送給數據采集卡。

數據采集單元：經分析，掘進機截割部控制系統需要采集的數據有測距傳感器信號4路、經緯儀數據信號6路，共10路數據，即數據采集卡的輸入數據通道需大于等于10，且輸入信號支持0~5 V的電壓信號。為滿足截割臂、回轉臺距離測量精度，選用16位模擬量輸入數據采集卡。選用的數據采集卡型號為PCI-1742，該采集卡的輸入通道為16，輸入信號為電壓信號且范圍為-10~10 V，采樣頻率為0~1 MHz，分辨率為16位。

實時控制單元：實時控制器選用的型號為CRIO-9025，該控制器能夠正確執行上位機系統程序，并完成程序跟蹤、數據存儲以及設備間通信等功能[8-9]。輸出模塊選用的型號為支持8通道輸出信號的NI-9485I/O模塊，可直接控制電液伺服閥；NI-9802輸出模塊實現數據的存儲功能。

液壓控制單元：由電液伺服閥、液壓油缸、溢流閥以及油泵等組成，其中電液伺服閥直接完成對液壓油缸的控制[10]。電液伺服閥能夠將微小電流信號轉換為液壓流量、液壓壓力信號并卻動液壓油缸動作，進而驅動設備運轉。

3 掘進機截割控制系統軟件設計

掘進機截割控制系統軟件設計基于CRIO-9025實時控制器以及上位機實現，根據系統功能可將軟件部分進行模塊劃分，詳見圖2所示。根據掘進機截割控制系統要求，將軟件部分劃分為系統登錄管理模塊、數據采集模塊、輸入數據轉換模塊、映射節點分析模塊、輸出數據轉換模塊、輸出驅動模塊、信息監控模塊以及基本動作控股之模塊8部分。掘進機司機經系統登錄管理模塊登錄至軟件系統，可完成對掘進機的手動控制和自動控制。數據采集模塊接收數據采集卡傳送的數據后轉發至輸入數據轉換模塊進行A/D轉換，并與映射系統分析模塊中存儲的數據進行對比分析，將分析結果數據轉送至輸入數據轉換模塊進行D/A轉換，變更成輸出驅動模塊可接收并可直接作用于電液伺服閥的驅動數據，由實時控制器處理后完成對掘進機截割臂、回轉天液壓油缸的精確控制[11]。信息監控模塊同時接收數據采集模塊、輸入數據轉化模塊以及映射節點分析模塊數據并進行實時顯示。基本動作控制模塊與輸出數據轉換模塊共享數據，但其優先級相對較高，輸出驅動模塊優先接收并處理基本動作控制模塊數據，如對截割頭的回零、掃底、刷幫控制等。

圖2 掘進機截割部控制系統軟件模塊劃分

掘進機截割控制系統軟件設計主流程見圖3所示，控制系統上電并完成初始化后，控制截割頭至初始位置，或檢測該截割頭的實時位置坐標，執行對應的指定程序。可執行的指定程序有截割部開始、回零、掃底、截割、刷幫、實時控制以及停止。

圖3 掘進機截割部控制系統軟件流程

4 掘進機截割控制系統應用分析

設計并實現的掘進機截割部控制系統方案實際應用于EBZ260型懸臂式掘進機，并完成工業試驗。在上位機系統中設置超挖、欠挖報警極限值，以便滿足該巷道的截割作業軌跡要求。掘進機實際截割過程中，在某一時刻截割臂俯仰角為-0.087°，實際俯仰角為-0.085°，偏差約為3.1%；機身橫滾角監測值為0.043°，實際機身橫滾角為0.042°，偏差為2.3%。即該控制系統的控制精度較高，巷道成形較好。掘進機自動截割過程時，故障發生率較低，提高了掘進工作效率。