懸臂式掘進(jìn)機智能化控制系統(tǒng)研究

宋慶民，袁小浩，劉 權(quán)

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

隨著采煤技術(shù)和方法的不斷改進(jìn)，煤礦機械的自動化發(fā)展已日新月異。煤礦采掘設(shè)備自動化程度越來越高。采掘工作面工況復(fù)雜危險，視野受限，煤塵、粉塵、噪聲、潮濕等危害因素?zé)o處不在，目前，掘進(jìn)機的掘進(jìn)方式主要為崗位工在駕駛室上隨機人工手動操作，操作過程中崗位工還得隨時觀察周圍的作業(yè)環(huán)境。操作臺在掘進(jìn)機左側(cè)，不能觀察右側(cè)截割情況。還需配專人指導(dǎo)作業(yè)，安全系數(shù)較低，易發(fā)生安全事故，自動化水平低，掘進(jìn)速度慢，嚴(yán)重制約煤礦的高效發(fā)展[1]。

以中煤科工山西華泰陽坡泉煤礦10110運輸順槽掘進(jìn)工作面為工程背景，技術(shù)人員與三一重裝廠家共同進(jìn)行懸臂式掘進(jìn)機硬件和軟件的改造來進(jìn)行智能化控制系統(tǒng)研究，該系統(tǒng)融合無線通信、數(shù)字視頻處理、光纖通信和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崟r觀測掘進(jìn)工作面迎頭各系統(tǒng)的運行情況，可為安全生產(chǎn)提供直觀的圖像信息和數(shù)據(jù)信息，同時該系統(tǒng)的研制可大大提高掘進(jìn)巷道崗位工的舒適性和安全性，極大提高安全系數(shù)和掘進(jìn)速度[2]。

1 工程背景

陽坡泉煤礦井田地處河?xùn)|煤田北部，煤層賦存淺、煤層傾角平緩，針對特厚煤層的特點采用2個開采水平分別開采全井田10號和11號、13號煤層，其中運輸順槽10110掘進(jìn)工作面10號煤層南翼一采區(qū)西側(cè)，北部為10110設(shè)計工作面，南部為10102運輸順槽，西部為實體煤，東部為南翼主運、輔運、回風(fēng)巷。10110運輸順槽掘進(jìn)長度1 157.47 m，設(shè)計巷寬5.5 m，巷高3.7 m，沿底板掘進(jìn)，掘進(jìn)方式為綜掘機掘進(jìn)，適合改造懸臂式掘進(jìn)機來進(jìn)行智能化控制系統(tǒng)的研究工作。

2 懸臂式掘進(jìn)機硬件改造

懸臂式掘進(jìn)機硬件改造方面主要是需要在機身上安裝2個改造的電控箱并需要重新接線，同時更換截割臂升降、回轉(zhuǎn)、截割頭伸縮、鏟板升降、后支撐升降油缸，加裝行程傳感器；增加電磁閥控制油缸；需要更換星輪馬達(dá)、一運馬達(dá)、行走馬達(dá)；并且同時擺動掘進(jìn)機截割臂至極限位置來進(jìn)行精度校正[3]。

2.1 液壓件

把掘進(jìn)機的油缸更換為帶有傳感器的油缸，且更換后需要開闊空間對傳感器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，目的是保證掘進(jìn)機截割臂升降、回轉(zhuǎn)角度的檢測精度。增加電磁閥組來控制油缸。星輪馬達(dá)、一運馬達(dá)、行走馬達(dá)更換為帶傳感器安裝位的專用馬達(dá)。液壓系統(tǒng)增加遙控操作系統(tǒng)，更換電液控三聯(lián)多路閥、電液控七聯(lián)多路閥電磁換向閥、手動換向閥、齒輪泵、溢流閥等。

2.2 機械件

增加攝像頭防護(hù)罩、無線信號接收器防護(hù)罩等機械件。

2.3 電氣件

電控箱內(nèi)增加慣導(dǎo)，現(xiàn)場測量標(biāo)定慣導(dǎo)與掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)中心的相對位置。電控箱內(nèi)增加遙控器信號接收模塊。

電控箱內(nèi)增加激光測距傳感器接收器。增加采集傳感器數(shù)據(jù)的IO模塊，并增加相應(yīng)電氣線路及防爆電控箱。增加掘進(jìn)機無線信號接收站，并增加相應(yīng)的電氣線路及防爆電控箱。

2.4 外部設(shè)備

外部設(shè)備包括掘進(jìn)機外部遠(yuǎn)程操作臺(含防爆電腦顯示器)；近控遙控器、遠(yuǎn)程遙控器；遙控器數(shù)據(jù)交換箱；控制信號數(shù)據(jù)交換箱、控制信號天線。

3 智能化控制系統(tǒng)

懸臂式掘進(jìn)機智能化控制系統(tǒng)以機載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為平臺，搭建掘進(jìn)機模型及算法，并融合了截割軌跡在線監(jiān)測、自動控制、自動補償、遠(yuǎn)程可視化和超視距控制等先進(jìn)技術(shù)。

3.1 三維定位截割

以慣導(dǎo)系統(tǒng)為平臺，控制掘進(jìn)機的運行軌跡，通過自動截割算法，實現(xiàn)自動定位截割。圖1為慣導(dǎo)系統(tǒng)三維坐標(biāo)系。分別為：掘進(jìn)機作業(yè)控制尺寸鏈、掘進(jìn)機連桿坐標(biāo)系和巷道模型斷面[4]，如圖2～4所示。

圖1 三維坐標(biāo)系

圖2 掘進(jìn)機作業(yè)控制尺寸鏈

圖3 掘進(jìn)機連桿坐標(biāo)系

圖4 巷道模型斷面

3.2 掘進(jìn)機三維實時仿真系統(tǒng)

掘進(jìn)機三維實時仿真系統(tǒng)，智能化控制系統(tǒng)首次應(yīng)用于掘進(jìn)機領(lǐng)域，真實還原了掘進(jìn)機工作場景。采用三維動畫設(shè)計，畫面生動，集成巷道自動成型功能、遠(yuǎn)程可視功能、數(shù)據(jù)上傳功能、地面集中控制及井下遠(yuǎn)程操作站控制[5]，如圖5所示。

圖5 掘進(jìn)機三維實時仿真工作場景

3.3 截割軌跡在線監(jiān)測技術(shù)

智能化控制系統(tǒng)采用截割軌跡在線監(jiān)測技術(shù)有效地突破了井下因粉塵大而無法遠(yuǎn)距離操作的難題[6]，使超視距巷道截割成為現(xiàn)實，建立以“截割軌跡為主，視頻為輔助”工作模式。軌跡界面如圖6所示。

圖6 截割軌跡界面

高適應(yīng)性：拱形巷道、矩形巷道、梯形巷道，修改參數(shù)適應(yīng)不同煤礦巷道條件。

定位誤差?。壕珳?zhǔn)獲取掘進(jìn)機截割頭在巷道空間內(nèi)位置坐標(biāo)，誤差≤5 mm。

成型誤差?。哼吔缃邓偌斑吔缦尬?，巷道成型誤差≤150 mm[7]。

3.4 自動控制技術(shù)

按照掘進(jìn)巷道的方位角，掘進(jìn)機通過自動控制技術(shù)來調(diào)整機身姿態(tài)，自動糾正與巷道中心線的位置偏差，完成直線行走與糾偏。掘進(jìn)機組在智能截割過程中，當(dāng)煤巖硬度急劇變化(如遇到夾矸)時，通過分析截割臂擺v、截割電動機電流I與煤巖硬度f之間的關(guān)系。截割頭依靠其上面的截齒對煤巖施加截割作用力，通過分析截割頭的總阻力，依據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系可得截割頭外部載荷所需的截割功率，從而控制調(diào)整截割臂擺速。而且掘進(jìn)機還能夠根據(jù)巷道腰線自動調(diào)整截割巷道坡度，無腰線巷道能自動適應(yīng)煤層頂?shù)装澹{(diào)整巷道坡度。

3.5 自動補償技術(shù)

基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合巷道斷面尺寸，建立掘進(jìn)機與巷道工作面的相對關(guān)系數(shù)學(xué)模型。依托截割部裝載的磁滯位移傳感器對截割頭位置坐標(biāo)進(jìn)行感知，自主計算各工作點的截割伸縮補償量，并精準(zhǔn)控制伸縮油缸，實現(xiàn)工作面的平整化，減少欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光測距傳感器及行走里程傳感器的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，對掘進(jìn)機姿態(tài)、行進(jìn)距離及位置偏移檢測。完成機身位置糾偏、行走自主調(diào)直功能，累積進(jìn)尺10 m內(nèi)誤差±50 cm。

3.6 自動截割、姿態(tài)檢測

通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對巷道設(shè)計的方位角進(jìn)行識別，實現(xiàn)掘進(jìn)機高精度位姿測量[8]。

三軸石英加速度計輸出掘進(jìn)機信號，經(jīng)過導(dǎo)航計算后，換算為速度和位置，按設(shè)計巷道斷面軌跡自動截割。

三軸光纖陀螺儀輸出信號經(jīng)過姿態(tài)航向計算后，確定懸臂式掘進(jìn)機的姿態(tài)和航向角，實現(xiàn)掘進(jìn)機自身位姿參數(shù)的自動檢測和顯示。

3.7 截割軌跡監(jiān)測

自動截割控制系統(tǒng)以監(jiān)控軟件為整個通信系統(tǒng)的OPC客戶端，采用OPC的方式與ZOPC服務(wù)器進(jìn)行通信，讀取ZOPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，按照主控制器地址分配表解析數(shù)據(jù)，解析完成的數(shù)據(jù)存入到Kepserver服務(wù)器，供客戶端用戶取用[9]。

具備定位或者仿形切割功能，主控制器通過自動截割算法實時控制截割頭動作。根據(jù)巷道實際條件，記憶截割路徑及控制工藝，實現(xiàn)巷道斷面一個循環(huán)500～800 mm定位截割，同時具有工作面邊界報警功能，斷面成型誤差小于15 cm。

3.8 遠(yuǎn)程可視化和超視距控制技術(shù)

掘進(jìn)機實時監(jiān)控采用無線WiFi傳輸和5G遠(yuǎn)距離光纖傳輸方式相結(jié)合模式，上傳的監(jiān)控畫面視頻信號傳輸延時小于 50 ms，控制動作信號最大延時小于300 ms，并且控制距離大于1 000 m，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控畫面中效果模糊，傳輸速率低，光線不足拍攝效果差等缺陷，具有超高速、高可靠、低時延特性，滿足了智能化控制系統(tǒng)對監(jiān)控畫面?zhèn)鬏數(shù)男畔鬏攷挕⑺俣?、時延等方面的需求[10]。

遠(yuǎn)程控制技術(shù)主要由機載控制器運行軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控主機運行軟件3個部分組成。

機載控制器采集各傳感器數(shù)據(jù)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控主機與遙控器控制命令，并將命令輸出到執(zhí)行機構(gòu)。

井下主機監(jiān)控軟件負(fù)責(zé)人機交互、作業(yè)控制、數(shù)據(jù)分析與故障報警。

地面遠(yuǎn)程監(jiān)控主機，能夠?qū)崟r監(jiān)測掘進(jìn)機截割電機的運行狀態(tài)，實時顯示掘進(jìn)機的姿態(tài)，掘進(jìn)頭的位置信息，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障報警與保養(yǎng)提醒等功能[11]。掘進(jìn)機遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控攝像頭分布如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)機遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控攝像頭分布示意

在10110運輸順槽掘進(jìn)工作面迎頭位置安裝一臺本安云臺攝像儀，在掘進(jìn)機機身左前、右前、正后、正前4個位置分別安裝防爆攝像頭，如圖7所示。4個攝像頭采取固定設(shè)計，減少攝像儀的人工挪移，方便纜線的保護(hù)。采用納米玻璃減小摩擦系數(shù)，阻止污染物駐留，澆封設(shè)計提高抗震性能。掘進(jìn)機上設(shè)減震裝置，攝像儀采用電子減震技術(shù)，通過圖像補充減小截割過程中攝像儀的振動。

掘進(jìn)機機身上安裝SYMC運動控制器和SYCM擴(kuò)展模塊，SYMC運動控制器通過CAN總線內(nèi)置電流、電壓、漏電、油溫、液位、壓力傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，SYCM擴(kuò)展模塊內(nèi)置電氣控制器件、電磁閥組和磁滯位移傳感器，機身還安裝遙控接收器[12]。實時監(jiān)控的畫面及各種傳感器獲得的信息通過無線傳輸給10110順槽皮帶的監(jiān)控分站，再通過光纖傳輸給井下視頻監(jiān)控主機到井下環(huán)網(wǎng)交換機，最后到地面的調(diào)度室監(jiān)控主機，可實現(xiàn)掘進(jìn)機數(shù)據(jù)與工作面視頻上傳至遠(yuǎn)程操作臺和地面調(diào)度室，系統(tǒng)在遠(yuǎn)端實時顯示掘進(jìn)工作面環(huán)境圖像、傳送掘進(jìn)機運行工作狀態(tài)、油溫、系統(tǒng)工作時間、截割計時、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上傳的姿態(tài)方位角信息、巷道參數(shù)的設(shè)置界面、截割頭軌跡在線監(jiān)測、截割方式和功能選擇。

操作臺對設(shè)備的工作環(huán)境及自身情況進(jìn)行監(jiān)控展示，實時采集掘進(jìn)機的電壓、電流、油溫、瓦斯等關(guān)鍵狀態(tài)信息，將信息進(jìn)行分析處理后傳輸至遠(yuǎn)程和地面監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)可以滿足掘進(jìn)機本地操控、不低于50 m無線遙控和不低于400 m遠(yuǎn)程控制(或地面遠(yuǎn)程控制)主遙控器3種模式。掘進(jìn)機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 掘進(jìn)機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)示意

4 結(jié)論

懸臂式掘進(jìn)機智能化控制系統(tǒng)通過在10110運輸順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行現(xiàn)場工況試驗，實現(xiàn)對掘進(jìn)機的遠(yuǎn)距離、實時、精準(zhǔn)控制，改善崗位工的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率和安全系數(shù)。