懸臂式掘進機控制系統優化設計

于 漳

（晉城金成礦山建筑工程有限責任公司，山西 晉城 048000）

煤礦井下掘進工作面工況惡劣，瓦斯、粉塵、淋水、有毒有害氣體等危險因素時刻威脅礦工的安全。掘進機的掘進方式以人工操作為主，安全系數低、掘進速度慢，易發生安全事故。另外，掘進機崗位工對電磁閥的操作以人工經驗為主，控制效果差[1-2]。為此，優化掘進機控制系統，將視頻技術、圖像技術以及智能電磁閥控制技術引入掘進機控制系統，可大大提高掘進工作面的安全系數和作業效率，保障掘進機崗位工的生命安全。

1 控制系統現狀分析

懸臂式掘進機是煤礦井下掘進工作面的重要采掘設備之一。隨著掘進工作面智能化進程的不斷推進，現有的掘進機控制系統無法滿足設計生產需求[3]，存在的主要問題有：①控制器的計算速度低、實時性差、算法處理能力弱。②采集的信息相對較少，采集高質量的視頻信息、圖像信息的能力較弱。③對電液比例電磁閥的控制精度較低，控制效果較差。

2 控制系統優化方案

2.1 遠程控制系統

針對懸臂式掘進機控制系統目前存在的問題，優化的懸臂式掘進機遠程控制系統結構如圖1所示。將核心控制系統更新為運動控制器及其擴展模塊。與原PLC 控制器相比，運動控制器可實現掘進機截割油缸升降、機身航向角調節等機械運動的精確控制；可實現掘進機自動截割、姿態調偏等高精度檢測和控制。掘進機運動控制器通過CAN 總線通信模式周期性地獲取安裝在掘進機機身的電流、電壓、漏電、液位、壓力等傳感器信息，同時獲取慣性導航系統數據，以光纖通訊模式發送給井下掘進機遠程監控系統/ 防爆計算機，再經井下環網交換機后上傳至掘進機調度室監控主機。同時運動控制器將獲取的數據傳送給機身監控分站F1，并以WIFI、5G 無線通訊模式發送給三部皮帶尾監控分站； 運動控制器同時還接收遙控接收器的數據，達到遠程控制掘進機的目的。

圖1 懸臂式掘進機遠程控制系統結構（閃電符號表示無線通訊）

增加遙控系統主從控制模式，如圖1 所示。遙控主機與遙控從機間以數據交換系統為媒介，以光纖通訊控制指令傳輸；遙控從機接收到控制指令后以WIFI、5G 無線通訊模式發送給遙控接收器。

將遠程可視化技術、超視距控制技術引入懸臂式掘進機遠程控制系統，為掘進機安全運行提供圖像、視頻以及數據信息，遠程視頻監控系統結構如圖2 所示。選用KBA12Y 礦用本安云臺攝像儀監控掘進工作面迎頭處工況，上傳傳輸時延小于50 ms 的視頻信號至掘進機調度室監控主機，解決傳統掘進機控制系統存在的視頻畫面模糊，傳輸率低、拍攝效果差的問題，滿足智能化掘進機控制系統對視頻信號帶寬、速度、時延的苛刻要求[4-5]。選用四個QMKB-EX07 防爆攝像機分別檢測掘進機機身左前、右前、正后、正前工況，將清晰畫面實時傳送至掘進機調度室監控主機。礦用本安云臺攝像儀、防爆攝像機安裝時，采用減震裝置，提高設備的抗震性能。

圖2 懸臂式掘進機遠程視頻監控系統結構

2.2 PWM 驅動系統

原掘進機控制系統缺乏對管路流量的精確控制，無法實現對掘進機動作速度和位移的精準控制。設計基于PID 控制的電磁比例調節閥控制方案，對閥中電流的大小進行精確控制，控制流程如圖3 所示。采用湊試法，由小到大逐漸對比例、積分、微分系統進行調整，以PID 控制曲線超調最小、收斂且反應時間短為標準，最終確定PID 調節的三個參數，分別設計比例系統為99，積分系數為10，微分系數為98。設計電流反饋環節，將實際輸出電流值反饋至輸入端，將設定電流值的差值作為PID 控制系統的輸入信號。另外，由于掘進機作業環境惡劣、干擾源多，為提升掘進機控制系統對管路流量的控制精度，設計硬件數字濾波裝置以及軟件濾波算法，保證輸入信號的平滑性。

圖3 懸臂式掘進機電磁比例調節閥PID 控制流程

PWM 驅動系統的程序流程如圖4 所示。利用PWM 驅動信號實現比例電磁閥閥芯移動，基于斜坡控制方案實現，即PWM 驅動信號的占空比與電磁閥內的線圈電流呈線性關系[6]，對線圈電流的加減速控制即為調整PWM 驅動信號的占空比。

圖4 懸臂式掘進機PWM 驅動軟件流程

3 系統測試

3.1 遠程控制系統測試

搭建懸臂式掘進機遠程控制系統測試場景，在工業計算機上安裝礦用本安云臺攝像儀以及防爆攝像機軟件，并查看視頻監測、圖像監測效果。實際測試時發現，應用文中的礦用本安云臺攝像儀時，獲取的視頻流流暢且穩定，時延小、視頻效果好；應用文中的防爆攝像機時，獲取的圖像數據清晰、傳輸速率高。優化后的遠程控制系統能夠實施監測掘進機迎頭及機身周圍的運行情況，為掘進機的安全運行提供直觀的視頻、圖像信息，同時也提高了掘進效率。

3.2 PWM 驅動系統測試

搭建懸臂式掘進機PWM 驅動系統測試場景，如圖5 所示，其中①為閥芯位移傳感器，②為比例電磁鐵，③為運動控制器機器擴展模塊，④為電磁比例多路換向閥，⑤為電磁閥監測儀表及管路。

圖5 懸臂式掘進機PWM 驅動系統測試

設計PWM 驅動系統測試方案，比較引入PID控制策略后對電磁比例多路換向閥的控制效果。測試方案為：對占空比為50%時輸出的PWM 信號的等效電流進行監測，時長為100 min。在0～6 000 s 內，每隔200 s 選擇一個時間點，用萬用表測量電磁閥回路電流并作記錄，形成圖6 電磁閥線圈回路電流變化對比曲線。由圖6 可知，引入PID 控制策略后，線圈回路電流經調節后穩定于設定值附近，提高了對電磁比例多路換向閥的控制精度，控制效果較優。

圖6 線圈回路電流變化對比曲線

3.3 工業試驗

為驗證設計并實現的懸臂式掘進機控制系統的實用性，在晉煤古書院礦完成工業試驗，時間為2022 年3 月～2022 年9 月。運行期間，懸臂式掘進機的遠程控制功能、PWM 驅動功能表現良好，滿足懸臂式掘進機實際生產需求。

4 結論

以煤礦井下掘進工作面懸臂式掘進機為研究對象，在分析掘進機控制系統現有問題的基礎上，詳細闡述和分析了掘進機控制系統優化方案，并完成系統測試，得出的結論如下：

1）礦用本安云臺攝像儀以及防爆攝像機引入懸臂式掘進機控制系統，提升了掘進機的遠程控制功能。

2）將PID 控制策略引入懸臂式掘進機PWM 控制系統，提升了對電磁閥的控制精度和控制效果。

3）完成的系統測試、工業性試驗結果表明，優化后的懸臂式掘進機控制系統滿足應用需求。