懸臂式掘進機智能截割控制系統研究與設計

曹瑞

摘 要：為了提升懸臂式掘進機的掘進精度、以及對不同煤巖體智能識別截割，對懸臂式掘進機的控制系統進行智能化控制系統改造，提出掘進機智能控制系統的控制策略，并主要智能控制系統的軟件系統和硬件系統進行設計，實踐表明，智能控制系統的可靠性高、自適性好，能夠對不同硬度煤巖體進行識別和截割。

關鍵詞：懸臂式掘進機;智能截割;控制系統;煤巖體識別

掘進機作為礦井巷道采掘的重要設備，由于礦井地質條件復雜，采用人工控制掘進機截割臂擺動速度來進行煤體截割，當設備電機負載較大時易發生故障影響設備的使用壽命。為實現對煤巖體的智能識別截割，提高其自適應性，本文設計提出旋臂掘進機智能截割控制系統實現遠程操控，根據電機負載情況智能調整掘進機的截割頭轉速，同時還可識別煤巖體的硬度進行智能截割，滿足復雜的截割工況。

1 懸臂式掘進機智能截割控制系統的設計策略

傳統的懸臂式掘進機控制系統主要截割電機來驅動掘進機懸臂，智能截割控制系統主要的實現依賴于掘進機機身姿態與位置檢測、掘進機截割頭姿態測量、煤巖動態感知、掘進機的斷面自動成形控制和遠程監控等功能的實現。

掘進機機身姿態與位置檢測是巷道成形的重要保證。為了保證掘進巷道滿足設計需求，必須保證實時了解掘進機的位置及截割狀態，智能控制系統中采用捷聯式慣導和地磁融合的方式實現機身位置及姿態的測量。當掘進機機身和截割頭都處于正確姿態時才可保證巷道的準確成形，截割頭由掘進機的水平液壓缸和垂直液壓缸控制，為了實現實時監測截割頭位置的目的，采用用磁致伸縮式位移傳感器進行準確測量，同時借助傾角儀對角度進行測量，通過對采集數據進行計算，調整截割頭的姿態，提升適應性。

在掘進機截割的過程中，對煤巖進行動態感知識別是重要的環節，當前，大部分礦井根據截割工藝進行煤巖的識別，這種方法會導致電機電壓、電流以及電機速度的變化，本文中利用多個傳感器對煤巖感知進行測量，結果準確且對截割電機影響較小。掘進機斷面成形的控制依賴于掘進機機身的位置，當掘進機機身以及截割頭都處于正確位置時，巷道斷面的成形滿足設計要求。在井下惡劣的環境下，懸臂式掘進機往往會發生一定程度的偏移，當機身偏移量較小或位姿合適時，則可直接運行斷面自動成形程序，當機身偏移量較大時，則需要人為干涉調整機身位置，進而運行斷面自動成形程序。斷面成形程序的運行依賴于截割控制，截割頭運行的速度通過較強的控制器實現，實現信息反饋。

懸臂式掘進機遠程監控系統由遠程監測、遠程控制構成。遠程監控指的是通過數據傳感器等設施實現對懸臂式掘進機運行狀態的監測，通過控制器采集以及數據庫訪問等存儲在計算機中，根據遠程監控的實現，構建可控程序，操作人員根據監測數據在操作界面進行調控，設備根據指令進行相應的動作，實現了掘進機的遠程操控。

2 掘進機智能截割控制系統設計

2.1 智能截割控制系統的硬件設計

懸臂掘進機智能截割控制系統的硬件設計，為保證系統運行的可靠性，應提升其抗干擾性。結合掘進機的運行工況，當掘進機的振動頻率>30MHz，易造成系統的信號失真;當設備振動頻率>60MHz，系統振動信號處于失真狀態，為消除系統的信號失真，提升抗干擾性。將掘進機智能控制系統的運行工率調整為75MHz，達到抗干擾性。

掘進機智能控制系統硬件的抗干擾，設計應結合掘機機的實際工況，振動信號通常是高頻與低頻結合，系統中利用高通和低通實現對高頻以及低頻的過濾;并將系統的敏感元件隔離保護，遠離干擾設備的影響;對于電容關鍵部位及時去耦，保證元器件接地;為了加強電路的抗干擾性，將光電隔離芯片加在I/O口間;對于功率較大的器件，應該保證及時接地，且與具有干擾性的電路板之間有一定的距離;為了防止電路之間的干擾作用，保證線路之間的傳輸方向一致;在總線上加入10K的電阻，增強通信接口的抗干擾性;同時，為保證電路模塊的及時接地，電路線的直徑盡量大于1mm;當元器件對溫度較為敏感時，應該及時進行的散熱處理，發熱元件之間保證一定的距離，維持模塊的正常工作。掘進機智能截割系統的硬件架構如圖1所示。

2.2 智能截割控制系統的軟件設計

對于截割部的控制，主要通過傳感器對設備信號進行采集，經過DSP處理和解算后，實現對截割部的控制，當截割部和掘進機機身都處于正確位置時，進行誤差補償操作，進入斷面截割控制。本文主要探討機身以及截割頭調整好后巷道的截割控制。當懸臂式掘進機運行時，通過傳感器檢測到截割頭的運行參數，如運行速度、油缸壓力以及截割臂的實際空間角度，通過計算得到截割頭在巷道中的位置，進而反算出回旋、升降油缸對應位移，通過理論計算得到截割臂的空間角度，將理論值和實際測量值進行實時比較，進而得到符合標準的斷面形狀。

掘進機開始運轉，會結合斷面形狀、設置基本參數，調整截割壁初始化位置，隨后調用斷面自動成形控制子程序，控制液壓缸升降、回轉進行截割電機作業，然后調用掘進頭空間位置子程序，判斷掘進頭是否達到終點，如果掘進頭達到終點，則結束程序，如果掘進頭沒有達到終點，則重新調用斷面自動成形控制子程序，進行截割作業。

上位機是軟件系統的設計重點，上機位基于Microsoft Visual Studio實現，采用模塊化思想實現對懸臂掘進機運行狀態和數據的檢測顯示，利用1個輔助線程實現通信功能，2個輔助線程實現數據庫的更新功能，隨后通過TCP協議，實現對懸臂掘進機的遠程操控。

3 智能截割控制系統的驗證分析

為驗證掘進機的運行穩定性，對智能截割控制系統進行驗證。實際應用中主要觀察截割頭的空間位置。借助SQLyog軟件對懸臂式掘進機運行狀態進行提取，通過MATLAB處理數據，得到在運行過程中截割臂的角度值均小于0.78°，滿足安全高效掘進要求，對截割頭實際坐標點進行計算并與理論值進行比較，得到圖2所示的結果，從圖中可以看出，截割頭實際坐標點與理論坐標點基本吻合，證明了智能控制系統的精確性。在運行過程中，系統運行穩定，有良好的運行效果。

4 結論

本文針對懸臂式掘進機控制精度差，巷道超挖欠挖現象嚴重的問題，設計了懸臂式掘進機智能控制系統。實現了智能系統的自適應控制，通過實際應用，證明了智能控制系統在實時監測、自動截割等方面的良好特性，實現懸臂掘進機的智能截割控制，并取得了一定的實效，具有借鑒和指導意義。