掘進機遠程控制技術及監測系統研究與應用＊

王蘇彧 杜毅博 薛光輝 田 劼 吳 淼

（中國礦業大學 （北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083）

在我國的煤炭工業生產中，懸臂式掘進機作為一種廣泛使用的采掘設備占有極其重要的地位，懸臂式掘進機的技術發展和進步對于發展綜合機械化掘進、提高掘進效率、保障礦井安全生產以及降低工人勞動強度具有重要意義。雖然我國掘進機已有長足發展，但是還存在如下問題：

（1）長期以來掘進機始終未能解決自身定位和自動定向的問題，掘進時唯一的坐標參考點是激光指向儀打在前方煤壁上的光點，掘進機無法與其建立必然聯系。

（2）掘進機操作自動化水平較低，掘進機司機手動操作并根據感覺定位和定向，截割斷面超挖和欠挖現象嚴重，截割形狀質量較差。

（3）截割臂擺速手動控制期間，擺速低時會導致截割效率低下，擺速大時遇上夾矸會導致截齒和擺動油缸損壞，最終導致截割電機使用壽命降低。

（4）掘進機本地控制的自動化控制和智能化控制水平較低，不能實現遠程遙控作業，因而難以實現掘進綜掘工作面的少人化和無人化，特別是掘進高突 （瓦斯突出、水突出等）工作面時存在嚴重的安全隱患。

（5）掘進面工作環境惡劣，用工人數多，勞動強度大，工作效率低，安全隱患多。

為此，中國礦業大學 （北京）與中國礦業大學、石家莊煤礦機械責任有限公司、冀中能源集團有限責任公司聯合承擔了國家863 計劃重點課題“掘進機遠程控制技術及監測系統”，目標是以掘進機遠程監測和控制的關鍵技術為核心，重點研究煤巖巷道懸臂式掘進裝備可視化遠程監控技術，開發出配裝國產自主研發的懸臂式掘進機及遠程監控系統，研制的可視化掘進機遙控裝備能夠滿足煤礦井下掘進作業和煤礦安全規程的要求。

1 系統關鍵技術

本課題研發的關鍵技術可以歸納為 “三位一體、七大系統”。“三位一體”包括近地點遙控、井下遠程可視化遙控以及地面遠程可視化監測。“七大系統”包括自動截割成形、擺速自適應控制、位姿監測、定向掘進、可視化遠程遙控、視頻監控以及遠程監測診斷，掘進機遠程控制技術及監測系統整體組成框圖如圖1所示。

圖1 掘進機遠程控制技術及監測系統組成框圖

1.1 基于機載計算機和油缸位移傳感器的任意斷面自動截割成形控制系統

該系統是由可編程計算機控制器PCC+工控機面板組成的高性能機載計算機控制系統，與高精度油缸內置位移傳感器一起組成了掘進機截割頭空間位置高精度自動控制系統。在懸臂式掘進機斷面自動截割成形系統V1.0自編軟件的控制下，通過檢測和控制兩對升降和轉動油缸的伸縮量精確控制截割頭空間位移軌跡，實現了任意斷面形狀的自動截割成形，使掘進機自動截割出規整斷面，斷面自動截割成形邊界檢測最大誤差＜50mm。該系統還設有斷面存儲及截割軌跡實時顯示功能，還可在上述功能基礎上實現基于智能檢測的記憶截割等功能。自動刷幫功能可取代人工修整斷面邊界，更大程度地提高斷面成形質量。該系統的使用消除了掘進機手工操作造成的 “超挖”和 “欠挖”情況，顯著地提高了掘進效率，減低了工人的勞動強度。

1.2 基于多參數判斷的截割臂擺速自適應控制系統

該系統包括油缸位移傳感器和電流變送器，在掘進機截割臂擺速自適應控制系統V1.0自編軟件的控制下，以掘進機電氣控制設備的電流過載保護標準為依據，通過檢測截割臂驅動油缸伸縮長度及其伸縮變化率、截割電機電流值及其電流變化率等多種參數，對自動截割過程中遇到的不同工況進行邏輯識別，自適應控制截割臂擺速及方向。該系統包括滿速功能、基于PID 技術的擺速自適應控制功能、預防悶車功能和車體減振防擺功能。控制截割電流≤1.2倍額定電流，PID控制反應時間小于0.4 s且具有一定的抗干擾能力。另外，本系統可以實現液壓功率與截割功率匹配的截割臂無級調速系統，可多參數判斷和處理悶車及遇到硬質點的情況。

1.3 掘進機機身位姿參數在線自動檢測系統

該系統研究提出了掘進機機身位姿參數檢測原理及方法，實現了機身5個位姿參數 （水平偏角、水平偏距、俯仰角、橫滾角、車前距）的絕對法自動檢測和顯示。由自主研發的1臺礦用隔爆型扇形激光發射儀 （如圖2）與2臺礦用本安型掘進機機身位姿檢測儀 （如圖3）測量出機身水平偏角和水平偏距，由1臺雙軸傾角傳感器測量出機身俯仰角和橫滾角，由2臺礦用本安型激光測距儀測量出車前距。水平偏角和偏距的有效檢測距離為30～100m，水平偏角檢測誤差＜0.1°，俯仰角及滾動角檢測誤差＜0.05°，車前距測距誤差＜6 mm。該系統能夠在線自動檢測掘進機機身5個位姿參數，并在工控面板上顯示出掘進機在煤巷內的實際位姿偏差，為自動定向掘進控制系統提供了必需的位姿參數信息。

圖2 礦用隔爆型扇形激光發射儀

圖3 礦用本安型掘進機機身位姿檢測儀

本課題研發的機身位姿參數在線自動檢測系統首次在我國井下煤巷掘進工況中實現懸臂式掘進機機身位姿誤差的絕對法測量，避免了相對法測量過程中誤差積累問題，技術指標國內外領先，為自動定向掘進控制奠定了基礎。

1.4 基于多參數負反饋控制的定向掘進控制系統

該系統在前鏟板加裝1臺礦用傾角傳感器，在后支撐油缸中加裝2臺內置位移傳感器，并在控制鏟板和支撐伸出動作的油路中安裝2臺油路壓力傳感器，通過掘進機位姿誤差自動消除控制系統V1.0自編軟件實時控制鏟板和支撐油缸伸縮量，補償俯仰角。在截割過程中，再由上述軟件控制截割臂對水平偏距、水平偏角和俯仰角引入的誤差進行補償以形成正確斷面邊界，巷道兩邊界最大誤差＜50mm，掘進定向與激光指向之間的最大誤差＜50mm／20m。同時，在工控機面板上可實時觀測各位姿誤差大小。該系統提高了機身撐地穩定性，消除了機身位姿誤差對截割斷面邊界成形的影響，且因水平偏角和偏距偏差是絕對法測量，無誤差累計，保證了高精度定向掘進。

1.5 基于嵌入式Linux平臺掘進機井下可視化遠程監控系統與遠程無線遙控系統

該系統由機載計算機控制系統、工業監控計算機、Linux操作系統以及CAN 總線通訊組成。監控軟件平臺通過光纖與機載計算機進行數據傳輸，遠程控制掘進機信號開、油泵啟停、自動截割、自動刷幫和截割暫停等動作，使用10／100M 以太網口、1.2～19.2kbps的RS-485／CAN，控制中心總響應時間＜0.1s，控制距離為500～1000m，實際最大控制距離取決于通訊光纖的長度。該系統還可實時顯示掘進機的各種狀態信息 （如油缸壓力、油溫、截割電機電壓電流、機身位姿、截割頭位置等），通過信息的綜合分析評估掘進機的工作狀態與健康狀況，保障掘進機的安全有效運行。

掘進機用遙控手柄發射高頻信號，經過掘進機機用遙控接收器接收后，經由RS232 與光纖轉換模塊傳入機載計算機控制系統，從而實現掘進機的遠程遙控功能，系統實際控制距離取決于光纖長度，控制距離遠大于500～1000m。

當井下工況較為復雜時，在距離掘進面一定距離的遠程監控硐室內，該系統可以完全實現掘進機監測以及鍵盤鼠標或遙控手柄的一鍵式遙控，達到綜掘工作面掘進過程的無人化，消除因突水或瓦斯突出等突發事故造成的人身安全隱患，解決了高突工作面的掘進安全難題。

1.6 基于多路隔爆型攝像儀的視頻監控系統

該系統包括截割臂和鏟板左右兩側的4臺有線礦用隔爆型網絡攝像儀和機身上側用于觀察一運和二運狀態的2臺無線礦用隔爆型網絡攝像儀。攝像儀具體參數為Watec-137LH 黑白CCD，水平清晰度為570TVlines，最低照度達0.002Lux F1.4，無線可視傳輸距離可達150m。該系統能夠多角度實時傳輸掘進機本地工作圖像至遠程控制點，并具有攝像儀抗振性能好和圖像延時時間短等特點。該系統實現了在多塵、振動條件下掘進機工況多角度視頻監控，可將6路 （2路無線、4路有線）視頻信號傳至后方控制硐室或地面任何控制點。

1.7 地面遠程可視化監測診斷系統

該系統由機載計算機控制系統、CAN 轉以太網模塊、井下環網以及裝有基于組態王的掘進機遠程監測系統的終端計算機組成。掘進機各監測參數由機載計算機控制系統采集處理，通過CAN 轉以太網模塊進入礦井環網。該系統可在地面任何地點實時監測并顯示掘進機運行狀態參數包括掘進機位姿參數等信息，并具有遠程故障診斷和報警功能，還具有歷史數據保存、顯示和打印功能。該系統可實現地面任意地點可視化監測及診斷，所有狀態參數和控制參數以及井下視頻圖像都可觀測和記錄，保障掘進機的安全有效運行。

2 井下試驗

本課題樣機為石家莊煤礦機械有限責任公司出產的EBZ200半煤巖掘進機 （如圖4所示）。井下工業性試驗在邯鄲礦業集團云駕嶺煤礦開展，其系統布置及巷道情況圖如圖5所示。

圖4 裝備本課題研究成果的懸臂式掘進機

圖5 井下試驗系統布置及巷道情況圖

本井下試驗開展期間，各個系統性能穩定，功能可靠，技術和性能參數達到了合同要求，有效提高了掘進效率和斷面截割成形質量，減輕了工人勞動強度，延長了設備的使用壽命，保障了掘進施工的高效和安全。井下試驗情況如圖6～8所示。

3 經濟效益及推廣應用

該項目研究成果已成功應用于石煤機縱軸式EBZ160、EBZ200 掘進機和橫軸式硬巖EBH300（A）掘進機等多種機型上，并在官板烏素礦、平煤十二礦和云駕嶺礦等進行了工業性實驗。試驗結果表明，系統運行穩定可靠，應用效果良好，創造了月進尺1003m 的記錄。

目前，石煤機生產的掘進機已有60多臺選用本課題的研發成果，使用后受到了用戶的好評和歡迎，很多用戶積極要求加裝掘進機遠程控制功能。自2009年以來，使用本課題研發成果生產的掘進機的銷售收入超過2億元，制造廠商和煤礦用戶已累計新增利潤28600萬元，節支總額約為7200萬元。加裝該技術的掘進機掘進效率和巷道成形質量明顯提高，每臺設備進尺月均增加100m，全年累計增加進尺約100萬m，這對提高煤礦生產效率和煤炭產量效果顯著。

4 結語

（1）本課題研制成功的掘進機遠程控制技術及監測系統實現了截割頭空間位置的精確控制、截割臂擺速自適應控制、位姿參數在線檢測、定向掘進控制以及遠程可視化一鍵式遙控等功能，從而實現了掘進機工作過程的定向、定位和定形的自動化遠程控制，具有斷面成形質量好、自動定向掘進精度高以及掘進機遠程多重監控等突出優點，技術先進，指標領先。

（2）可實現綜掘工作面掘進過程無人化，消除因突發事故 （突水、瓦斯突出等）造成的人身安全隱患；可使巷道掘進速度顯著加快，掘進效率提高約20%～30%，緩解掘進速度大大低于采煤速度所造成的掘采之間的矛盾。

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