煤礦掘進機遠程智能控制技術研究

＊王 超

（山西省長治經坊煤業有限公司 山西 047100）

作為世界上土地面積排行第三的國家，我國的礦產資源豐富，并且煤炭作為一種重要的生產所需資源，國家相關部門對煤礦開采工作的效率也越來越重視。傳統的礦井掘進機在開采過程中往往需要工作人員進行手動操作，但在掘進過程中激起帶起的粉塵等會使工作人員的視線受到影響，從而影響開采工作的整體效率；其次還極容易受到滲水、有毒氣體等因素的影響，危害工作人員的生命健康。因此，隨著我國科學技術水平的發展，能夠智能化遠程控制掘進機已經成為了當前行業內發展的必然趨勢。

1.煤礦掘進機遠程智能控制技術分析

我國當前的掘進機遠程智能控制系統的主要原理基本一致，都是由硬件系統以及軟件系統共同組成。本文所涉及的系統運用了PLC自動控制技術以及多種傳感器，對掘進機工作過程中的實時狀態以及各項參數進行監測，并通過遠程智能控制系統對數據進行傳輸并顯示，便于工作人員隨時了解掌握設備工作過程中的各種異常狀態，并運用相關的軟件系統對得出的各項數據與標準值進行比較，根據結果對掘進機的工作狀態以及各項參數自動朝著標準的方向進行調整。

（1）工作的基本原理。掘進機遠程智能控制系統主要是通過各種系統對接近集中的截割電機、除塵電機、油泵電機等進行自動控制。首先由系統中的各種傳感器測出各種信號數據，如油位、速度、壓力、油溫等，隨后將測出的各項數據傳遞給系統中的PLC控制器，隨后由PLC控制器將其與系統中設置的各項標準數據進行比對，根據對比結果發出相應的控制指令，實現掘進機的遠程智能控制[1]，具體參數見表1。

表1 掘進機主要技術參數

（2）硬件系統。掘進機的遠程智能控制系統的硬件系統具體組成如下圖1所示，其中主要包括了啟動或停止指令的按鈕、急停類按鈕、對油缸進行操作的按鈕、各種不同類型的傳感器以及掘進機運行中各部件系統的狀態參數，遠程智能控制系統的電流、電壓等數據信息以及各個角度的攝像頭設備等。其中啟動或停止指令按鈕主要是指掘進機截割電機的啟動與停止、油泵機的啟動與停止；急停類按鈕可分為左急停、右急停等；而油缸操作按鈕指的則是升油缸、降油缸等。通過把硬件系統中各個部分數據結合起來，可以有效推測出掘進機的工作狀態以及各種故障信息，使其在發生故障后工作人員可以及時了解故障的詳細信息并選擇合適的解決措施，并且只有在檢測到故障解決后掘進機才會繼續運行。

圖1 煤礦掘進機遠程智能控制系統的硬件系統

（3）軟件系統。煤礦掘進機遠程智能控制技術的軟件系統主要依靠的是PLC技術。PLC程序主要可分為系統初始化部分、侏羅紀控制部分、遙控控制部分、CAN通信部分、保護功能部分、變頻器控制部分、故障監測部分外加遠程操作部分等八個主要部分，其設計框圖如下圖2所示。

圖2 煤礦掘進機遠程智能控制系統的軟件系統設計框圖系統

該軟件系統在實際運用中主要具有以下幾點優勢：

首先在該系統中，由系統自動控制的各個工作模塊均可以自由選擇自動或手動的操作模式，從而使得掘進機在各種工作環境下都可以自由選擇最為合適的運行方式，降低運行損耗[2]。

其次，運用該系統遠程控制掘進機，可以使掘進機在面對各種較為復雜的施工情況時，輕松進行綜合操作，從而使掘進機的工作效率更加高效。

此外，該系統可以提前設置一些特殊的操作模式，工作人員在操作系統時，系統中的主要控制器可通過各種傳感器對這些特定的操作模式進行學習并記憶，并且根據其中的各項參數實施準確的運動模擬，見表2。

表2 掘進機主要技術參數

2.煤礦掘進機遠程智能控制技術的應用優勢

（1）降低了煤礦掘進工作的安全風險。傳統人工操作的掘進機進行工作時，井下環境較為惡劣，極容易發生頂板或山墻片掉落等對操作人員的生命安全造成威脅。在運用了遠程智能控制技術后，工作人員可以直接在較遠的地方操作掘進機進行工作，并且工作過程中操作更加簡便，視野也較寬闊，同時不需要為操作人員預留空間[3]。此外，還可以避免井下水害、粉塵、有毒氣體等造成的影響，使煤礦的掘進工作變得更加安全，有效保障了工作人員的生命安全。

（2）提高煤礦掘進工作效率。在傳統的掘進工作中，往往需要主副兩位司機互相配合才能完成煤礦的掘進工作，因此掘進工作往往會耗費大量的時間，截割的效果也不夠精確，嚴重影響了煤礦開采的效率。在運用了遠程智能控制技術后，通過系統的自適應記憶功能，只需提前為掘進機設置好想用的動作指令，掘進機就可自主完成所有的截割流程，并且較快，截割的效果也較為準確。截割過程中并不需要相關人員在掘進場地對掘進機進行操控，只需要安排相關人員進行遠程的監控工作即可，運用遠程智能控制技術后，有效降低了掘進工作對專業人員的需求，使煤礦的掘進工作變得更加快捷輕松。

（3）遠程監控掘進機運行狀態。通過遠程智能控制系統搭載的監控設備，可以對掘進機工作過程中的各項數值進行實時監控，當掘進機發生故障后，工作人員通過系統傳輸的數據就可以及時準確地定位到故障所在以及故障的產生原因，同時，其自身攜帶的數據庫還可將掘進機的歷史故障與數據等進行查詢，便于維修人員更快找出合理的解決方法。

（4）一鍵啟動以及遠程操作截割功能。通過掘進機的遠程控制系統以及相應的傳感器，就可以將掘進機截割部分在工作過程中的各項參數進行收集，同時記錄并保存各項操作過程中油缸的運動軌跡，并通過數據交換系統將其傳輸到掘進機的智能控制中心，系統會根據收到的數據進行相關截割軌跡圖的繪制，同時相關操作人員可結合掘進機的遠程監控系統了解掘進機的實際工作狀況，并根據掘進機系統中具備的截割軌跡記憶系統，完成對掘進機中截割機的遠程自動控制。

（5）掘進機截割軌跡在線監控。通過掘進機遠程控制系統搭載的遠程監控設備可以對掘進機工作過程中的截割軌跡進行實時監測，并且通過對掘進機慣性導航系統的遠程操控，截割機的工作軌跡可以與掘進機后方的激光定位儀形成緊密的合作[4]。在掘進機工作過程中通過對掘進機位姿、切割軌跡等的不斷調整，可以使掘進機的截割工作一次性完工，直接形成質量較高的巷道斷面，有效避免傳統技術施工過程中常見的截割斷面少挖或多挖的情況，既提高了煤礦巷道掘進工作的效率，也提高了煤礦巷道的整體質量。而若是采用人工操控的方式，施工人員在工作過程中往往會受到視野以及自身技術水平的限制，在截割操作過程中較容易發生一些錯誤。

3.煤掘進機遠程智能控制技術存在的問題

隨著當前社會各行各業的智能化水平不斷提升，煤礦的智能化開采也越來越受到行業內的重視，其中掘進機遠程智能控制技術更是重點研究的對象。但研究至今，在一些方面仍然存在著一些問題。

（1）遠程智能控制掘進技術的基礎理論不足。很多時候受實際因素的影響，掘進機遠程智能控制系統只能在井上模擬井下的環境進行實驗，但到了實際運用時，井下的實際運行環境中可能會存在很多地上無法預計的情況，如照明度、水汽、粉塵等都會影響到系統的實際運用效率，嚴重時甚至會發生系統無法正常運作的情況。一些感知類型的電器元件在安裝時也要考慮到供電的線路安排，因此，在掘進機原廠智能口至系統運行過程中，往往需要在井下安裝更多不同類型的傳感器，為技術人員提供更多更準確的井下作業環境的信息。在確保數據準確性以及可靠性的同時，要依靠各種分析程序，盡量使監測的數據以多維的方式展現給工作人員，實現數據的可視化。

（2）掘進機定位問題仍待解決。在進行掘進工作時往往需要為掘進機的工作平面劃定方向，規劃出截割的形狀，以及在發生碰撞前及時進行預警，而這些工作想要順利實施都需要進行較為精準的位姿測量。為了提高位姿測量的精準程度，國內外的科研機構都展開了大量的相關研究并已經取得了一定的成效。但當前的掘進機遠程智能控制技術中的自動位姿測量方法仍然對待測環境提出了較高的要求。慣性導航技術受到時間的影響會產生較大的誤差，井下存在的電磁場等會對羅盤類傳感器造成干擾，相機的拍攝姿態等會影響掘進機遠程智能管理系統中視覺測量工作實際效果。視覺測量在實際的工作過程中并不需要與待測物體進行實際接觸，也很少會隨著事件的推移累計誤差，因此，在當前掘進機位姿測量工作中的運用較多，但受到井下復雜地理環境、水汽、粉塵等因素的影響，其測量結果也較容易產生誤差。因此，提高掘進機工作過程中的精準度，是當前行業內需要重點面對的一個問題。

（3）對遠程控制技術的實效性等基礎技術不夠重視。我國國土面積較大，煤礦資源的分布也較為廣泛，各地煤礦的地質條件也存在著較大的差異，并且煤礦開采面的環境通常來講較為惡劣，極容易存在一些水害、瓦斯、頂板等方面的問題[5]。因此，在進行掘進機遠程智能控制時，很難實現同一標準的自動化、智能化工作。并且，盡管掘進機遠程智能控制技術的地面操作技術已經得到了一定程度的應用，但針對地下開采面的遠程控制基礎技術等的理論研究還不夠深入，同時行業內仍然將足夠快理解為實時，極容易產生誤解。因此，當前行業內應當對掘進機遠程智能控制技術中的實時性技術等基礎技術進行更加深入的研究，實現真正意義上的遠程智能控制。

4.煤礦掘進機遠程智能控制技術的改進方向

對于當前掘進機遠程智能控制技術中存在的問題，主要應從以下幾個方向進行改進。

（1）掘進機的智能化定位功能。井下的施工環境往往較為惡劣，很多時候無論是工作人員還是掘進機的遠程監控系統都較容易受到施工環境中粉塵等的影響，導致自身的視覺系統精準度較低，并且較人體視覺而言，機器視覺往往精準度也不高。因此，對掘進機遠程智能控制中的測量工作進行深入研究，并分析出更加科學合理的測量定位方法是當前行業內需要迫切解決的問題。

（2）提高掘進機糾偏功能的強度。受到礦井中各種地質條件的影響，施工環境中的巷道地板平整度通常情況下并不高，甚至很多時候巷道底部會出現嚴重的高低不平的情況，雖然掘進機遠程智能控制系統自帶的位姿糾偏功能能夠進行一定程度的糾正，但其糾正能力還不夠高，很多時候無法將掘進機調整到準確位置[6]。因此，掘進機遠程控制系統中自動糾偏功能的強度也是行業內需要解決的問題。

（3）根據施工環境巖層不同創設相應的施工技術參數。我國地大物博，煤礦分布的環境也較為多樣，在面對不同煤礦的地質環境時，往往需要對自身掘進機的技術以及各項截割參數進行改進優化。其中切割頭的參數就是需要重點考慮的一項內容。在對切割有的參數進行調整時，可以運用相關的數學模型或公式，在固定切割頭的直徑以及平均接線間距的情況下，對錐角與分布角進行調整后，掘進機的實際工作效率的變化情況。

5.結束語

掘進工作作為煤礦開采工作過程中的重要工作環節，為了盡可能提高其工作效率，在現如今這個智能化水平越來越高的社會背景下，應對掘進機遠程智能控制技術進行更加深入的研究，及時發現技術運行過程中存在的問題并盡早改進，對其中運用的技術與設備進行不斷創新與優化，提高煤礦掘進機控制技術的智能化、先進化水平，從而實現煤礦開采工作效率的大幅度提升。