淺談掘進機遠程智能采礦系統設備單元

黃海飛

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著國家大力推進煤礦生產的少人化、無人化，并逐步加快建設數字化、智能化、信息化、自動化礦山的步伐，煤礦井下綜采設備的自動控制技術經過近年來的發展，已經實現了少人化，甚至一些高產高效的礦井已經在一定程度上實現了無人化。但由于綜掘設備的掘進工藝和設備開采特點，煤礦井下綜掘設備自動控制技術的發展比較滯后，一些關鍵的技術尚未突破，制約著自動化技術在綜掘設備上的使用。隨著自動控制、計算機技術突飛猛進的發展，綜掘設備掘進自動化技術取得了長足的進步，掘進機自動化將會逐步在各個礦井落地生根[1]。其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，在掘進機遠程控制技術及監測已有長足發展，為保障礦井安全生產以及降低工人勞動強度做出重要貢獻。本文對目前國內普遍采用的掘進機遠程控制技術及監測技術的主要功能進行了介紹，著重對系統中的車載單元的關鍵技術進行探討，并在煤礦井下進行試驗，試驗證明，掘進機自動化技術穩定可靠，具有市場推廣前景。

1 掘進機遠程控制功能

隨著國家“863”項目“掘進機遠程控制技術及監測系統”研制的成功，國內各大型煤礦企業逐步開始使用具備遠程控制及監測系統的掘進機，遠程智能系統在掘進機上的使用，部分解決了傳統井下掘進機工作環境惡劣，安全隱患問題[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頻發，截割形狀質量較差；截割臂擺速手動控制，導致截割電機使用壽命降低；掘進機始終未能解決自身定位和自動定向的問題等弊端，目前國內大型煤礦對遠程控制技術及監測使用的典型方式如圖1所示。

圖1中，控制信號、傳感器和視頻信號通過數據匯集器傳輸給車載無線基站，無線基站以4G的形式傳輸給距離設備100 m以內巷道中的無線基站，并通過光纖交換機傳輸給遠處的操作臺，其主要的功能如下：

1.1 無線遠程遙控

操作人員可位于地面或者井下監控中心，通過智能遙控平臺，利用無線網絡連接現場設備上的車載控制單元及多路紅外高清攝像頭，監視井下掘進機進行遠程工作。

1.2 掘進機位姿監測

為了實現掘進作業的智能化，需要實時監測掘進機的位置和姿態，簡稱位姿。掘進機機身位姿參數主要包括：機身水平偏角、俯仰角、橫滾角、水平偏距和車前距。

1.3 斷面自動截割

通過數學模型結合多種傳感器的使用，由計算機對掘進機截割臂的回轉與升降液壓缸進行控制，自動截割出規整斷面。

1.4 截割臂自適應控制

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。

1.5 視頻監測

利用掘進機機身上安裝的高清網絡攝像機，實時采集工作現場關鍵視角的視頻圖像信息，通過無線網絡傳輸到遠端監控中心。

1.6 工況監測

掘進機安裝電壓、電流、溫度、壓力、流量等傳感器，實時監測掘進機工況參數，為遠程遙控系統提供機車基礎工作數據。

2 掘進機遠程機載控制設計

機載設備單元包括車身安裝的傳感器單元、數據采集單元、遙控控制單元、網絡通信單元、位姿檢測單元、斷面自動截割單元、截割部負載自適應單元、視頻采集單元、液壓系統單元和電氣系統單元等，實現自動定位、調整和運動，自動截割，自動檢測監測，自動預警和控制等功能。

2.1 掘進機位姿監測

要實現掘進斷面自動截割成形控制，首先要進行掘進機空間位姿的運動學分析。在煤礦作業環境中，大多數的巷道掘進施工均采用人工的方式，即人工操縱掘進設備，時刻觀察掘進方向與激光指向儀的方向是否保持一致。這種施工模式無法發揮出掘進設備的最大功效。

為了獲取掘進機機身的絕對位姿參數，系統采用二維激光標靶結合機身多傳感器數據融合的懸臂式掘進機位姿檢測方法。既充分利用激光標靶的絕對位置校準，又利用了掘進機機身安裝的多傳感器實時數據，聯合工作，解決了高清攝像頭無法清晰觀測截割頭具體位置的缺陷[3]。

多傳感器融合定位單元主要用于獲取掘進機截割滾筒位置，從而為智能巷道截割控制技術提供關鍵數據。掘進機截割滾筒位置傳感器主要包括位移傳感器，包括安裝于垂直升降油缸、截割伸縮油缸、鏟板油缸、回轉油缸的直線傳感器，它們實時完成各個油缸在全行程上的位置檢測，經過計算機處理，換算成截割頭在掘進斷面上的位置信息。掘進進尺檢測傳感器，包括安裝在行進輪上方向判斷及累計進尺的位置脈沖傳感器。

2.2 斷面自動截割

系統設計的任意斷面自動截割成形系統包括兩個功能，即自動截割成形和自動刷幫，前者控制掘進機截割臂按照設定路徑和步距自動完成斷面截割，而后者可進一步提高兩幫的截割控制精度以及修整斷面形狀。

對于常見的矩形巷道斷面，可以根據遠程遙控中心上位機輸入的斷面寬、高，計算機控制系統自動計算特征點，從而可以控制截割頭作業運動曲線。根據截割頭形式、截割功率及轉速，考慮煤層的硬度及節理裂隙發育程度，結合支護的要求，設計合理的截割路線，本系統可以提供多套截割路線。以截割工藝路徑為自下向上類 S 型自動截割為例，如圖2所示。

圖2 矩形斷面自動截割成形控制策略

本系統所設計的自動截割成形控制策略，首先控制截割頭回到巷道右下角，可以將此位置設為坐標原點(0,0)，隨后，截割頭按照預設 S 路線運行，并實時比較路線規劃中的坐標點，最終運行到預設路線的結束位置。在截割完成后，回轉和升降液壓缸進行聯動，使截割頭回到起始點。

2.3 擺速自適應控制單元

懸臂式掘進機截割巷道斷面是由截割頭旋轉與截割臂擺動共同動作來完成斷面煤巖的截割，截割臂擺速的改變是通過工人手動操控截割部水平和垂直油缸的伸縮速度得以實現的。在截割過程中，當煤巖硬度急劇變化(如遇到夾矸)時，因截割電動機轉速不能改變，若不能迅速調整截割臂擺速，則極易造成截齒損壞，截割電動機電流也會大幅過載而出現停機甚至電動機損壞情況。在遇到體積比較大的夾矸的情況下，掘進機機身會產生劇烈振動，機身位姿產生較大誤差，掘進斷面會產生較大偏移。當掘進機采用人工方式時，司機能憑借經驗，通過操作手柄來控制截割臂擺速，載荷較小時，提高截割臂擺速；反之，當遇到夾矸載荷較大時，減小截割臂擺速，從而使截割電動機始終處于滿載狀態，以此提高掘進機的工作效率。在本系統設計中，掘進機采用遠程遙控或者自動截割工作模式，無法通過感覺和經驗控制截割臂擺速，因此需要設計專用的截割臂擺速控制算法。為提出截割臂擺速自動控制方法，必須分析截割臂擺速v、截割電動機電流I與煤巖硬度f之間的關系。截割頭依靠其上面的截齒。對煤巖施加截割作用力，因此，截割頭受力即為所有截齒受力的矢量和。每一個截齒在截割巖石的過程中都會受到與截割頭相切的截割阻力和指向截割頭軸心的進給阻力的影響。通過分析截割頭的總阻力，依據截割頭力矩與功率的關系可得截割頭外部載荷所需的截割功率，從而可以獲得截割臂擺速v、截割電動機電流I與煤巖硬度f之間的關系。截割臂擺速v、截割電動機電流I與煤巖硬度f之間的關系[4]。

2.4 數據采集單元

主要實現掘進機工況參數和控制位姿的數據監測。通過掘進機工作參數(電氣、液壓水路、機械傳動和環境)以及掘進機姿態位置監測傳感器，獲得掘進機自主控制所需要的參數，并通過 CAN 總線或485 總線將監測數據傳輸到掘進機車載中央控制單元。本系統采用ARM 9 訂制設計的專用處理平臺，接口豐富、運算處理速度快、穩定性高、功耗低。

2.5 遙控控制單元

遙控控制單元主要包括中央控制處理單元和執行輸出控制單元。中央控制處理單元主要用于接收數據采集單元采集到的多傳感器融合數據，并經過中央控制器計算處理，獲得各種輸出控制指令信息；執行輸出控制單元通過 CAN 總線獲取中央控制處理單元發送的控制指令，輸出各路控制信號，主要包括：數字開關量、數字模擬量和PWM 信號，用于掘進機的各種動作控制。

2.6 音視頻采集單元

掘進機關鍵位置分別安裝高清防爆網絡攝像頭，用于遠程監視工作環境，攝像頭具有防塵處理，其視頻數據直接通過無線網絡上傳到遠程監控中心。

具體安裝位置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 臺有線礦用隔爆型網絡攝像儀，共計 6臺。除視頻顯示之外在掘進機機身安裝防爆型拾音器，用于獲取現場掘進機的工作聲音，通過以太網通信網絡傳輸到遠程監控中心。

音視頻采集單元(Audio Pickup Unit)主要用于對現場環境聲音的采集、壓縮和傳輸，從而可以在遠端實時獲取現場聲音，有利于司機辨別車輛油門、車輛發送機聲音。

2.7 液壓系統單元

為了實現掘進機遠程遙控控制，需要在掘進機上加裝電磁閥。在本系統使用的電磁閥主要包括比例電磁閥和開關電磁閥，具體安裝位置和使用型號根據所設計機型進行選擇。

2.8 電氣系統單元

電氣系統單元主要完成兩個功能：接入掘進機現有電控系統，獲取相關工作參數和控制接口，為本系統構建提供相關基礎數據；提供本系統相關電源電壓。掘進機電氣系統輸入電壓 AC 1 140 V，而本控制系統需要包括傳感器、控制器等各種電壓等級，需要將輸入AC 1 140 V 轉換為 DC 12 V，DC24 V 等，或者從掘進機原電控箱內接出所需要的電壓。

3 結語

掘進機遠程控制系統已經在多個礦區的煤礦井下進行了試驗，建立了掘進機車載自動控制系統與遠程控制系統的無線通訊連接，依靠視覺延伸和智能傳感技術，實現了對掘進機的自動遠程控制。實踐表明：掘進機遠程控制系統能滿足掘進時無人、支護有人的開采工藝，不僅降低了勞動強度，提高了生產效率，而且增加了掘進機開采的完全性。