懸臂式掘進機智能截割控制系統(tǒng)設計

郝友賓

(西山煤電集團公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

懸臂式掘進機作為煤礦井下巷道成形作業(yè)的主要設備，提高其控制精度及自動化水平是保障巷道成型質(zhì)量、降低掘進成本的關鍵[1-3]。因此掘進設備的智能控制技術是目前國內(nèi)外的研究焦點[4]。懸臂式掘進機智能控制技術主要包含掘進機位姿自動檢測、機身定位、巷道截面成形和遠程狀態(tài)監(jiān)測等多個方面，其主要目的是將自動化技術運用至掘進機截割部運動控制中[5]。目前國外針對掘進機無人值守及相應自動控制系統(tǒng)等關鍵技術的研究相對成熟，受技術封鎖及進口設備價格昂貴等因素影響，國內(nèi)大部分煤礦仍采用傳統(tǒng)的人工控制方式，無法實現(xiàn)綜掘工作面的智能化控制。

掘進機的人工控制主要依靠操作人員通過按鈕操作和肉眼識別配合完成，智能化程度低下、井下人員及設備安全性較低，工作量大大增加。同時巷道成形質(zhì)量及效率嚴重受人為因素影響，導致掘進作業(yè)效率低下、截割斷面成形質(zhì)量差。針對上述問題，本文設計了一套以PLC為控制核心的懸臂式掘進機智能截割控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)掘進機截割部的自動截割控制、截割頭路徑規(guī)劃及運行狀態(tài)遠程監(jiān)控等功能，具有控制精度高、通訊性能良好、響應速度快等優(yōu)點。

1 智能截割控制系統(tǒng)設計總體方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

智能截割控制系統(tǒng)的主要功能是對掘進機截割部實施有效的自動控制，通過上位機控制指令實現(xiàn)對掘進機截割頭的移動、伸縮及搖臂上下擺動的遠程控制，從而代替人工截割控制。具體功能需求分析如下：

(1) 系統(tǒng)控制方式為自動+手動組合模式。系統(tǒng)可根據(jù)控制算法通過控制程序控制掘進機自動完成掘進工作，還可無擾動切換至手動模式，通過地面控制中心的操作臺實現(xiàn)人工按鈕操控。

(2) 掘進機截割部自動截割控制功能。控制系統(tǒng)可通過電液比例閥對掘進機截割部各油缸進行智能控制，從而實現(xiàn)掘進機截割頭的移動方向、伸縮距離及搖臂的擺動方向、擺動速度的自動調(diào)控。

(3) 掘進機自適應截割功能。由于井下地質(zhì)環(huán)境復雜，不同質(zhì)地的煤層會對掘進機造成負荷沖擊、電機過載等問題。控制系統(tǒng)可根據(jù)負載變化實時調(diào)節(jié)截割頭的轉(zhuǎn)速及擺動速度，實現(xiàn)掘進機的自適應截割，降低截割頭齒輪及液壓機構損耗[6-8]。

(4) 運行參數(shù)實時采集功能。控制系統(tǒng)可對掘進機的工況參數(shù)進行實時采集，并通過上位機實現(xiàn)顯示、處理分析、數(shù)據(jù)管理及打印報表等功能，同時所采集數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)提供控制反饋，通過工況參數(shù)對掘進機運行狀態(tài)進行實時調(diào)節(jié)。

(5) 故障報警及保護功能。當監(jiān)測參數(shù)或系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)可及時進行故障診斷并報警，同時系統(tǒng)還具備電機過流保護、過負荷保護等保護功能。

1.2 系統(tǒng)架構

根據(jù)上述功能需求分析，本文對掘進機智能截割控制系統(tǒng)進行架構。該控制系統(tǒng)采用模塊化思想進行設計，按照不同運行功能將整個系統(tǒng)劃分為各功能模塊，主要包括PLC主控模塊、上位機監(jiān)控模塊、運行參數(shù)監(jiān)測模塊和執(zhí)行機構模塊等部分。智能截割控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

PLC主控模塊是本系統(tǒng)的控制核心，主要負責運行參數(shù)的采集與上傳，并通過CAN總線和RS232分別與上位機和手動模式下的遙控器進行通訊，實現(xiàn)控制指令的上傳下達。運行參數(shù)監(jiān)測模塊主要由檢測掘進機截割部截割頭、截割臂、油缸及截割電機等主要部件參數(shù)的各類傳感器組成，用于掘進機運行狀態(tài)實時監(jiān)測與控制反饋。執(zhí)行機構模塊主要由電液比例閥和截割部油缸、截割頭及截割臂等設備組成，在接收到控制指令后執(zhí)行相應掘進操作。系統(tǒng)手動模式下由人工通過遙控器和操作臺完成對掘進機的操控，遙控器通過RS232與PLC主控器實現(xiàn)通訊。

圖1 智能截割控制系統(tǒng)總體結構圖

當系統(tǒng)運行時，首先由運行參數(shù)監(jiān)測模塊中的各類傳感器對掘進機工況參數(shù)進行實時采集，主要包括截割部截割電機的電壓電流值、掘進機機身與截割頭的位姿、油缸的油壓和油溫及位移參數(shù)等。隨后運行參數(shù)通過PLC輸入單元上傳至主控器中，然后由PLC將各運行數(shù)據(jù)傳輸至上位機監(jiān)控模塊進行實時顯示及分析處理，再由上位機向PLC下達控制指令，最終通過PLC主控器的A/D模塊輸出相應數(shù)字控制信號控制電液比例閥對截割部進行液壓調(diào)控，實現(xiàn)掘進機的自動截割。

2 硬件方案設計

掘進機智能截割控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC主控模塊、上位機監(jiān)控模塊以及運行參數(shù)監(jiān)測模塊中的各類傳感器構成。其中上位機監(jiān)控模塊包括位于遠程控制室內(nèi)的操作臺及工業(yè)計算機，操作臺可用于手動模式下對掘進機進行控制，工業(yè)計算機用于運行人機交互界面及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進機的遠程控制及參數(shù)監(jiān)測。控制系統(tǒng)硬件主要選型及設計方案如下：

PLC主控器作為本系統(tǒng)的控制核心，其可靠性、數(shù)據(jù)解析能力及處理速度等性能指標對系統(tǒng)控制精度及效果影響較大。因此本文選用西門子S7-1500可編程控制器作為系統(tǒng)主控模塊，S7-1500 PLC的位指令最短運算時間可達1 ns，浮點運算指令最短運算時間可達10 ns，其背板總線傳輸速度為S7-400的40倍。PLC的CPU型號選用1515-2PN，負載電源模塊型號選用6EP1333-4BA00(PM 190 W 120/230 VAC)，同時PLC主控模塊需要收集運行參數(shù)監(jiān)測模塊上傳的多組工況參數(shù)信號，同時向執(zhí)行機構輸出數(shù)字量控制信號，因此PLC主控模塊還需配備模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM521(DI)、SM522(DO)、SM531(AI)、SM532(AO)。

油缸位移傳感器的主要作用是通過對掘進機截割部油缸及滾筒的位移量檢測，從而對掘進機位置進行定位，控制系統(tǒng)可根據(jù)該數(shù)據(jù)控制掘進機對截割面邊界處進行準確截割。本文采用MTL3本安型磁致伸縮位移傳感器來檢測油缸的具體行程。MTL3傳感器的量程為100 mm～1 200 mm，其線性誤差≤0.05%FS，遲滯≤0.001%FS，分辨率可達0.001%，可輸出4 mA～20 mA DC、0～5 V DC及0～10 V DC標準信號，可通過RS485進行通訊，滿足本系統(tǒng)的位移檢測需求。

除了對油缸的伸縮進行精確控制，系統(tǒng)還需對掘進機機身及截割頭的位姿進行測量。本文選用GLS-B30高精度激光測距傳感器來完成掘進機與礦道之間的間距檢測。GLS-B30的測量距離為0～100 m，最高精度可達±2 mm，其供電方式為7 V～24 V外部供電，可輸入4 mA～20 mA標準電流信號，并通過RS232或RS485總線實現(xiàn)通訊，可滿足本系統(tǒng)對掘進機的位姿測量需求。

3 軟件方案設計

當系統(tǒng)軟件運行時，首先需對控制系統(tǒng)進行自檢、截割參數(shù)設置等初始化操作，之后方可運行主控程序及上位機監(jiān)控界面。完成初始化后，系統(tǒng)根據(jù)需求對控制模式進行選擇，若選擇手動模式，則通過遙控器及遠程控制室的操作臺對掘進機的截割進行人工按鈕控制；當系統(tǒng)處于自動截割模式時，系統(tǒng)首先判斷掘進機機身傾角是否超限，若超限則對機身位置進行調(diào)整，若未超限則執(zhí)行自動截割程序。在自動截割程序運行時，需判斷掘進機是否過載，若未過載則按照系統(tǒng)內(nèi)的PID算法向PLC輸出相應控制指令控制電液比例閥的輸出，從而實現(xiàn)自適應截割。當掘進機截割位置達到預定值時，完成整個截割工作。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 結束語

本文在對掘進機自動截割控制系統(tǒng)功能需求進行分析的基礎上，通過硬件方案的設計選型和軟件程序設計對懸臂式掘進機智能截割控制系統(tǒng)進行架構，實現(xiàn)了掘進機的自動截割及自適應截割控制，同時可對掘進機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，保證掘進機在礦井無人值守下可靠運行。