掘進機自適應截割控制系統的設計及應用

李鵬飛，張曉娟

（1.晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037001；2.晉能控股煤業集團虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 038300）

引言

掘進機是進行巷道掘進不可或缺的設備，在煤礦開采中被大量的應用。由于巷道掘進過程中的工作條件惡劣，掘進機自動化截割技術尚不成熟，造成礦井的采掘失調[1]，不利于煤礦生產效率的提升。針對掘進機截割的控制過程，將自動化控制技術與掘進機截割機構的運動結合起來，建立掘進機的自適應截割系統，并進一步展開應用分析。

1 掘進機自適應截割系統的整體設計

掘進機通過自身的移動及截割機構的旋轉運動進行巷道掘進，在進行自動截割時，掘進機依據設定的參數及控制程序，主要對油缸的運動進行控制，并對礦井的信息進行監測。自適應截割系統要求能夠進行巷道的自動截割，截割路徑的記憶及規劃，依據礦井信息進行自適應的調速[2-3]，進行截割頭軌跡的計算。

采用基于PCC 結合工控機的系統架構進行掘進機自適應截割系統的設計，系統的整體方案如圖1 所示。其主要功能包括截割頭姿態的測量及調整，截割路徑的規劃及跟蹤，系統的遠程通信及上位機可視化的顯示。

圖1 自適應截割控制系統的整體方案

PCC 結合工控機自適應截割系統通過采集截割臂油缸的位移、溫度、流量等信息并進行轉換，將數據傳輸至PCC 進行存儲，對數據進行解析計算得到截割頭的位置信息，并將其傳輸至工控機。PCC 依據巷道的掘進工藝及尺寸參數信息進行截割路徑及調速模塊的計算，通過PP480 工控機進行遠程通信，通過截割路徑及軌跡的信息進行實時的計算，并將控制指令進行轉換控制液壓系統的動作，實現對截割頭的自適應控制。

掘進機控制系統實現自適應的截割，其功能設計的流程如圖2 所示，主要包括自動截割及手動截割兩種控制模式，手動、半自動及全自動三種操作方式，在滿足自動截割的條件時，依據巷道環境及截面參數進行自動截割，可進行人為的干預，避免出現錯誤，無法滿足自動截割時，進行手動控制作業，包含直接控制設備及進行遠程控制功能。

圖2 控制系統功能設計流程

2 掘進機自適應截割系統的控制功能實現

依據掘進機自適應截割系統的功能進行控制系統的功能開發，控制系統的硬件控制流程如下頁圖3所示，控制系統硬件部分主要包括檢測單元、控制單元、控制傳輸單元及執行單元。檢測截割頭位置的傳感器分布在截割臂的機械本體內，用于檢測油缸的位移伸縮量，并反饋給控制系統，依據截割頭的空間位置，建立掘進機的運動模型，并計算出截割頭在巷道中的位置，依據檢測到的截割電機的電流，可以描繪出掘進機三種不同的截割方式在巷道中的運動軌跡，從而依據巷道環境參數進行動態調整。截割電機的電流參數反映了截割頭進行作業的巷道煤壁的硬度，可自動控制截割頭的速度，自動適應截割過程。當存在較硬煤巖時，截割電流過載，控制系統控制截割頭對截割路徑進行重新調整，避開較硬煤巖，保護截割頭及截割電機免受損害。

圖3 自適應控制系統的硬件控制流程

控制傳輸單元主要由PC、工控面板、遙控器及操作手柄組成，PC 及工控面板之間采用CAN 通信，內部含有多個IO 模塊，實現對檢測單元多個傳感器信號的采集及監測，PC 發出的信號經過轉換傳輸，輸出到不同的執行模塊。掘進機自適應截割控制系統在作業過程中，由檢測單元給定系統截割頭的狀態及位置、截割電機的電流、電壓及油缸的位移等實時參數，經控制信號進行采集存儲，控制系統進行計算分析后控制掘進機的動作，實現對巷道的自動截割。

掘進機自適應截割控制系統采用PID 調節的控制方法，需要采集響應的反饋信號實現系統的閉環控制，截割機構的上下位置通過安裝在回轉臺中心的位移傳感器進行采集，左右位置通過旋轉編碼器進行采集，俯仰角及滾動角的位置通過傾角傳感器進行采集。自適應截割控制系統的PID 控制原理如圖4 所示，經過傳感器采集的信號，計算實際值與理論值的偏差，控制器中將偏差值作為輸入信號，經過PID 控制器的計算，對輸出信號進行調節，實現反饋控制。PID 控制器采用主從控制的形式，主控制器進行傳感器數據的采集，從控制器進行執行機構的控制，兩者之間采用CAN 總線的形式通信，由此可以提高截割控制系統的穩定性和準確性。

圖4 自適應截割系統控制原理

3 應用效果分析

巷道斷面的形狀及掘進效率與煤礦的安全生產效率具有直接的影響，實際進行截割的過程中，考慮到煤巖的賦存及巷道的形狀、地質條件的變化，多選用較為方便的截割方式，降低截割的阻力，從而便于實現自動截割系統的應用。針對掘進機自適應截割的需求，設計PCC 結合工控機自適應截割系統架構，滿足巷道掘進的需求，進行了系統的功能設計及控制流程設計，實現了基于PID 控制方式的掘進機自動截割系統。對所設計的自適應截割控制系統進行應用及分析，在自動與手動截割兩種不同的方式中，自動截割所需的時間較短，可以提高系統的掘進效率，從而提高煤礦的綜合效率，滿足自動化生產的需求。