懸臂式掘進機自動截割控制系統設計

李海斌

(山西省同煤集團煤峪口礦，山西 大同 037041)

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懸臂式掘進機自動截割控制系統設計

李海斌

(山西省同煤集團煤峪口礦，山西 大同 037041)

針對目前懸臂式掘進機自動化及智能化控制程度低等問題，提出了自動截割控制技術。通過建立截割頭空間位置數學模型，設計了懸臂式掘進機自動控制系統，同時以可編程計算機控制器PCC模塊化功能為基礎完成對自動截割控制系統的程序設計。針對目前其可視化程度低的缺陷，設計了上位機監控，并與PCC進行實時通訊，以實現掘進機運行狀態的實時監測。最后進行了井上井下實驗，其結果證明：該控制系統運行可靠、穩定，重復精度高、無累計偏差，完成自動截割及刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實現自動截割功能。

懸臂式掘進機；自動截割；PCC

懸臂式掘進機自動截割控制是提升截割效率以及精度的重點部分，完成其自動以及智能化具有很好地保障煤礦的安全運轉，在很大程度生縮減工人勞動強度的同時提升采煤效率等優勢。本文設計了自動截割控制方法以完成懸臂式掘進機的精確以及自動截割。

1　建立截割頭空間位置數學模型

將懸臂式掘進機的截割頭及每個工作結構部件簡化成球體和剛性桿件[1]，分別建立掘進機截割結構垂直及水平平面的數學幾何模型，如圖1(a)、圖2(b)所示。通過建立的數學模型可以獲得升降及回轉右側液壓缸伸縮量l1、l2以及巷道坐標系內截割頭的橫縱坐標間的數學表達式[2]，然后就能獲取截割頭的確切位置。

根據圖1(a)可得，截割頭和升降油缸伸縮量l1間可通過其在巷道中的縱坐標建立關系，見式(1)。

(1)

式中：z及Δl分別表示截割頭縱坐標及其伸縮油缸伸長量；L表示截割臂長度；L1、L2分別表示截割臂垂直運動中心O2到升降油缸和機架的鉸接節點A及升降油缸和機架的鉸接節點B的距離；L0表示截割臂在水平位置時點A到點B的距離；φ0表示截割臂在水平位置時的角∠AO2X2；θ0表示截割臂和O2B的夾角。

根據式(1)可以看出，唯一變量是l1，所以截割頭在巷道中的垂直坐標z可直接通過位移傳感器檢測到的l1確定。

根據圖1(b)可得，截割頭和回轉油缸伸縮量l2間可通過其在巷道中的橫坐標建立關系，見式(2)。

(2)

圖1　截割機構幾何模型

根據式(2)可知，唯一變量是l2，所以截割頭在巷道中的水平坐標y可直接通過位移傳感器檢測到的l2確定。

所以只要檢測出l1與l2，自動截割控制就可以根據式(1)、式(2)經過計算機編程實現。

2　懸臂式掘進機自動截割控制設計

2.1自動截割成形控制設計

通過PCC模塊化編程，完成對懸臂式掘進機自動截割控制系統的軟件設計，PCC具有采集并傳送控制信號到I/O模塊、與上位機/遙控器通訊以及綜保控制等功能[3-4]，自動截割控制流程圖及各模塊實現自動截割控制方法見圖2(a)、圖2(b)。

根據圖2(b)，在自動截割控制時智能工控面板首先存儲巷道斷面輪廓同時經由Recipe部分處理顯示，隨后Mainctrl自動截割模塊開始運轉，智能工控面板利用Imacomm部分運算來自PCC經Input部分搜尋獲得的回轉以及升降油缸運行距離，從而判斷截割頭此刻的位置，隨后通過和設定路徑比較來獲取截割頭之后抵達的位置，進而反推出回轉以及升降油缸預定值，并傳輸至PCC經由Output部分輸出控制命令，控制截割頭開始工作的同時完成實時對比，若達到預定值在停止油缸的同時執行下一截割指令，直到截割工作完成。Drawbmp部分完成截割頭運行以及結束時的位置信息并于上位機界面上顯示的工作，進而繪制出巷道中截割頭工作的動態運行軌跡。

2.2自動刷幫控制設計

掘進機在自動截割的過程中，如果截割步距小于截割頭半徑，盡管截割控制精度高，然而截割次數很多從而影響其效率[5]；如果截割步距大于截割頭半徑小于其直徑，盡管能夠提升截割效率，然而對巷道兩幫的粗糙度誤差產生有擾動，見圖3，誤差范圍是53.6～400mm。自動刷幫控制方法使掘進機自動修正斷面兩幫，從而使截割步距小于529mm以滿足“巷道截割斷面邊界檢測最大誤差小于10cm”的條件[6-8]，進而縮減粗糙度誤差提升效率。自動刷幫控制見圖4，設置刷幫路徑是從上向下，該路徑將對自動截割過程產生的誤差特別刷幫，設計其余路徑成斜線截割以縮減步數，而實際截割時能夠按照需要修改控制程序。

以B→D為例，截割臂進程向下運行時，每間隔0.5s要運算一次回轉油缸應該到達的伸長量，以確保截割頭依照巷道邊界運行。①巷道左右兩幫：當刷幫運行到巷道左右兩幫時，只需運算一次升降油缸伸縮量設置值Ctl[1]，每間隔0.5s運算一次回轉油缸伸縮量設置值Ctl[0]，依據首次運算獲得的目標值把CmdKey[ACTXANGLE]及CmdKey

圖2　自動截割控制流程圖及各模塊實現自動截割控制方法

圖3　斷面粗糙度誤差示意圖

圖4　矩形巷道斷面自動刷幫控制路徑

[ACTYANGLE]同步置1，Ctl[1]表示此截割過程完結時的目標值，隨后開始計時，在等于0.5s時刻按照此時垂直位置AI[ACTYANGLE]從新運算0.5s后回轉油缸伸縮量應獲取的目標值，并傳輸至Ctl[0]更新之中的值，直到AI[ACTYANGLE]等于Ctl[1]時結束，以此實現左或右幫截割；②其余截割過程：僅運算一次回轉以及升降油缸伸縮量設置值Ctl[0]及Ctl[1]，并按照目標值執行相應油缸，等于目標值就依次關閉此油缸停止運動。

通過PCC對油缸流量大小進行控制，即依據自動刷幫功能需求對截割臂的擺速進行控制。由于實行左右兩幫的截割操作時，水平方向是微調，如果仍然高速運行將導致超越巷道邊界從而無法完成自動刷幫工作，所以設定截割臂擺速垂直及水平方向分別是高速以及低速運行。實行其他截割過程時，截割臂擺速垂直及水平方向都設定是高速運行。

2.3上位機設計

該自動截割控制系統上位機監控界面包含有截割頭位置動態顯示、模擬量參數顯示及報警記錄等功能界面。

截割頭位置動態顯示界面中主要是對截割輪廓的調整狀況與其工作狀況進行顯示，以完成對工作面的實時監控。如果截割頭沒有跨越巷道邊界，那么顯示綠色，并且持續執行自動截割指令；如果截割頭跨越巷道邊界，那么就顯示紅色，以此來警示掘進機司機停止機車運作。模擬量參數界面可直觀的實時顯示懸臂式掘進機的工作狀態并記錄工作參數。

3　試驗仿真及結果

3.1井上實驗

設定巷道截割面的寬度和高度分別為3m和2.5m，懸臂式掘進機選用EBZ200，工控機上位機功能界面可以實現對懸臂式掘進機的實時在線監控。

經過對懸臂式掘進機自動截割的反復試驗，截割頭按照預先設定的路徑進行自動截割，左右兩幫的刷幫截割路徑和巷道斷面形狀大體相符，工作過程中回轉以及升降油缸聯動取得很好的成效，該控制系統運行穩定可靠。懸臂式掘進機自動截割試驗結果顯示，該控制系統可以很好的實現其自動截割的功能。

3.2井下實驗

在井下進行斷面自動截割試驗時，巷道斷面的寬度和高度分別為4.5m和4m。設定自動截割步距為700mm，則經過3個截割步驟即可截割一個完整斷面。測試數據見表1。

經過實驗證明，掘進機斷面自動截割成形功能設計正確，截割頭可按預設路徑自動截割，所有截割路徑能基本覆蓋巷道斷面，在斷面自動截割成形后，還進行了斷面自動刷幫功能試驗。根據表1可知，認定掘進機機身到截割頭方向為前方，左幫最大誤差為50mm，相對控制最大誤差為2.2%；右幫最大誤差為20mm，相對控制最大誤差為0.9%；兩幫綜合最大誤差為70mm，相對控制最大誤差為1.6%，經過多組試驗，驗證了該控制系統重復精度高、無累計偏差。

表1　實驗數據/mm

4　結　論

通過建立截割頭空間位置數學模型，設計了掘進機自動截割控制系統，同時運用PCC模塊化編程實現了對掘進機的自動截割控制，并且在上位機功能界面中能夠動態監測顯示截割頭工作情況。根據井下工業性實驗結果證明：掘進機斷面自動截割成形控制系統在井下工業生產中能夠運行良好，系統工作可靠、穩定；控制掘進機完成自動截割、自動刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實現其自動截割。

[1]康棟梁，童敏明，賈存良，等.懸臂式掘進機截割頭監測系統[J].煤礦機械，2010(4)：139-141.

[2]王蘇彧.懸臂式掘進機記憶截割及自動截割控制方法研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2014.

[3]田原.懸臂掘進機自動導向和定位技術探索[J].工礦自動化，2010(8)：26-29.

[4]鄧國華.基于激光導向器的懸臂式掘進機位置姿態自動測定方法[J].工礦自動化，2009(9)：20-23.

[5]田劼.懸臂掘進機掘進自動截割成形控制系統研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2010.

[6]劉建功，吳淼，魏景生，等.懸臂掘進機自動截割控制關鍵技術[J].中國煤炭，2008(12)：54-57.

[7]楊潔，付曉，馬子云.基于巷道斷面的掘進機截割頭定位系統設計[J].煤礦機械，2015(2)：25-26.

[8]王蘇彧，高峰，李睿，等.基于PCC的任意巷道斷面自動截割成形控制系統[J].煤炭學報，2013(S1)：261-266.

[9]岳素青.掘進機自動成形截割控制系統的研究[D].石家莊：河北科技大學，2011.

[10]李軍利.懸臂式掘進機斷面自動成形理論與控制策略研究[D].太原：太原理工大學，2009.

[11]元瑞斌.懸臂式掘進機姿態檢測及記憶截割控制系統研究[J].煤炭與化工，2015(9)：50-52.

[12]田劼，楊陽，陳國強，等.懸臂掘進機巷道自動截割成形控制方法的探索[J].煤炭工程，2008(12)：83-85.

[13]熊雙輝.懸臂式掘進機巷道斷面成形控制系統研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[14]唐述敏，張康智，鄧海順.懸臂式掘進機截割自動控制研究[J].煤礦機械，2009(3)：50-52.

[15]趙東升.懸臂掘進機工作機構自動控制系統的研究[D].西安：西安科技大學，2005.

The design of boom roadheader automatic cutting control system

LI Hai-bin

(Meiyukou Mine，Shanxi Datong Coal Mine Group，Datong 037041，China)

In view of the present low level of automation and intelligent control of boom roadheader，automatic cutting control technology is proposed.By establishing the mathematical model of cutting head space design of the cantilever machine automatic control system，at the same time，based on the programmable computer controller PCC modular functions to complete the program design of automatic cutting control system.Aiming at the defect of the low degree of visualization，design the PC monitoring，real-time communication with the PCC，to realize the real-time monitoring of running status of machine.Inoue underground experiment was carried out at last，the results show that the control system is stable and reliable operation，high repeat precision，no cumulative deviation，completion of automatic cutting and brush help function，no obvious error of two sides of roadway，can well realize the automatic cutting.

boom roadheader；automatic cutting；programmable computer controller

2016-02-10

李海斌(1975-)，男，山西懷仁人，同煤集團煤峪口礦機電礦長、工程師，專業為機械設計制造及其自動化，研究方向為煤礦井下機電設備與管理。

TD421

A

1004-4051(2016)10-0150-04