掘進機自動截割控制系統(tǒng)的設計與應用

毋堅強

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

隨著礦井裝備機械化、自動化的快速發(fā)展，采掘設備也逐漸在各煤礦井下得到了廣泛的應用。然而，目前各煤礦井下現(xiàn)場所采用的懸臂式掘進機大都采用工頻控制方式，需要現(xiàn)場人員根據(jù)井下煤巖地質(zhì)的不同進行人工控制操作，由于現(xiàn)場人工操作的不確定性使得巷道成型效果不佳。因此，本文以智能和變頻控制為基礎對掘進機截割自動控制系統(tǒng)進行設計，根據(jù)作用于截割電機的載荷、煤巖變化情況來對截割電機參數(shù)進行智能自動化實時調(diào)整，從而實現(xiàn)安全穩(wěn)定的快速掘進。

1 掘進機結(jié)構(gòu)與工藝

本文以各礦廣泛應用的EBZ-200型懸臂式掘進機為研究對象進行截割控制系統(tǒng)的設計，圖1為懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖

懸臂式掘進機是按照巷道設計要求，根據(jù)既定截割路線，利用截割臂的移動和截割頭對煤巖體進行旋轉(zhuǎn)截割，直至達到所設計的巷道斷面。根據(jù)懸臂式掘進機的工藝特點，其自動化控制的主要對象應為油缸移動與運行參數(shù)，并具備自動截割作業(yè)、路線規(guī)劃、自適應調(diào)速等特點。

2 控制系統(tǒng)總方案

為實現(xiàn)懸臂式掘進機的自動截割，采用可編程控制器和工業(yè)控制計算機對各模塊及其功能進行總體方案設計，實現(xiàn)截割頭姿態(tài)、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠程通信以及可視化顯示等功能，控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)工作原理如下：通過A/D轉(zhuǎn)換器將懸臂式掘進機油缸的位移、溫度、流量、電流等參數(shù)采集傳輸?shù)娇删幊炭刂破鳎瑩?jù)此分析截割頭位置和姿態(tài)，再利用CAN通訊將信息傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機。以巷道尺寸、斷面形狀、技術參數(shù)等信息為基礎，可編程控制器可以實現(xiàn)規(guī)劃截割路線、自適應調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能。利用可編程控制器和工業(yè)控制計算機的通訊功能，基于截割路線規(guī)劃和截割軌跡等信息，采用截割臂軌跡自動跟蹤算法來實時計算控制量，再利用D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出電流來對電液比例閥進行控制，從而實現(xiàn)對截割頭的自適應截割控制。

3 控制系統(tǒng)硬件

圖3為控制系統(tǒng)組成框圖。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元、下位機等部分組成。利用檢測單元布置于懸臂式掘進機上的各類傳感器獲取掘進機相關截割信息參數(shù)，控制單元可對傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號進行儲存記錄，并根據(jù)掘進機截割頭實時截割情況進行分析，利用執(zhí)行單元來對掘進機截割過程進行自動控制。

控制系統(tǒng)硬件選型如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

4 控制系統(tǒng)軟件

通過貝加萊Automation Studio仿真軟件對控制系統(tǒng)進行整體設計，該仿真軟件具有C﹢﹢語言程序簡便、自動化組件高效、控制目標多樣等特點，并且可以同時符合上位機與下位機的系統(tǒng)開發(fā)要求。

4.1 控制基礎

依據(jù)掘進機作業(yè)時截割頭的水平偏角和位移、縱向偏角和位移、后部偏角對其位置和姿態(tài)進行分解，及時糾正掘進機位置和姿態(tài)是實現(xiàn)掘進機自動控制的基礎。在掘進機掘進巷道內(nèi)建立三維直角坐標系，其中X軸正向為沿巷道底板豎直向上，Y軸方向為沿著巷道水平方向，Z軸正向為沿著掘進機向前掘進方向。

通過對掘進機機身位置與姿態(tài)進行三向分解之后，根據(jù)所測量的掘進機位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，對其位置與姿態(tài)進行糾偏以達到保證掘進機處于正確位置與姿態(tài)的目的。

4.2 自動截割控制

控制系統(tǒng)采用PID控制技術對掘進機進行自動截割控制，PID控制器具備線性控制、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，適用于井下現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。首先對PID控制器進行參數(shù)設置，PID控制器在輸入測量偏差數(shù)據(jù)之后，可以對數(shù)據(jù)進行分析判斷，再利用通訊系統(tǒng)將處理結(jié)果作為輸出信號完成對掘進機相關機構(gòu)的控制，形成高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

自動截割控制PID控制器首先需要采集相關數(shù)據(jù)信號，分別將位移傳感器布置于截割臂、旋轉(zhuǎn)編碼器布置于回轉(zhuǎn)體中心，位移傳感器對截割臂的豎向位移數(shù)據(jù)進行采集，旋轉(zhuǎn)編碼器對截割臂的水平位移數(shù)據(jù)進行采集。然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號與給定值進行比較計算偏差，將偏差值輸入PID控制器再經(jīng)過其計算后，輸出相應信號完成對掘進機截割臂的控制動作，整個PID控制器與其他設備之間的通訊采用CAN總線的方式。圖4為掘進機截割臂PID控制器工作流程示意圖。

圖4 掘進機截割臂PID控制器工作流程示意圖

5 結(jié)語

本次懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)的設計以可編程控制器和工業(yè)控制計算機為基礎，整個系統(tǒng)包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元和下位機等，實現(xiàn)了截割頭姿態(tài)檢測、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠程通信以及可視化顯示等功能。在現(xiàn)場井下掘進工作面的使用過程中，采用手動截割模式，現(xiàn)場粉塵較大、能見度較低，現(xiàn)場操作人員大部分時間僅能依靠經(jīng)驗對截割臂的移動和截割頭的轉(zhuǎn)算進行操作，斷面成型平均時間為22 min，現(xiàn)場作業(yè)效率低下，并且巷道斷面成型效果較差；而采用自動截割模式，巷道斷面成型效果較手動操作好，并且降低了工人的勞動強度，斷面成型平均時間為19 min，顯著改善了掘進機現(xiàn)場工作效率。