懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

趙 剛

（西山煤電集團(tuán)官地礦，山西 太原 030053）

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)煤礦綜采工作面的生產(chǎn)效率可達(dá)90%，而掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)效率僅為49%。在實(shí)際生產(chǎn)中綜采效率和掘進(jìn)效率的不平衡已嚴(yán)重制約煤礦的生產(chǎn)能力。針對(duì)掘進(jìn)工作面，制約其生產(chǎn)效率的關(guān)鍵在于掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控等。除此之外，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的落后還會(huì)導(dǎo)致巷道成型質(zhì)量較差，影響后續(xù)采煤效率[1]。因此，本文將著重對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 智能化控制需求分析

1.1 控制過程分析

本文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，其主要部件分為截割部、行走部以及裝載部，如圖1所示。

如圖1所示，截割部與巖層、煤層直接接觸，由裝運(yùn)機(jī)構(gòu)將截割部截割掉落的巖石、煤炭，通過裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的鏟板通過第一運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送出巷道。在實(shí)際截割過程中，掘進(jìn)機(jī)截割部可根據(jù)實(shí)際工作面情況由升降液壓油缸控制截割頭自身旋轉(zhuǎn)、左右、上下以及伸縮等運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置巖層或煤層的截割任務(wù)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 掘進(jìn)機(jī)控制需求的分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的高效掘進(jìn)以及最終成型高質(zhì)量的巷道，要求掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)巖層條件、工作面實(shí)際情況對(duì)截割部、行走部等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能化控制，具體需對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)位置參數(shù)的監(jiān)控、對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部截割頭姿態(tài)的監(jiān)控、能夠?qū)崟r(shí)感知所在位置區(qū)域煤層或巖層的特征、實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面的自動(dòng)成型控制以及實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能[2]。

1）掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)位置參數(shù)的監(jiān)測(cè)。為保證最終巷道成型質(zhì)量，要求實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)機(jī)所處的位置及姿態(tài)參數(shù)，本方案將采用高精度捷聯(lián)式慣導(dǎo)和地磁融合共同獲取掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)位置參數(shù)的信息。

2）掘進(jìn)機(jī)截割部截割頭姿態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置參數(shù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，在水平回轉(zhuǎn)液壓油缸、垂直升降液壓油缸以及伸縮液壓油缸的共同控制下保證其截割部截割頭姿態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確才能夠保證巷道成型的質(zhì)量。本方案將采用磁致伸縮式位移傳感器和傾角儀實(shí)現(xiàn)對(duì)截割頭截割部姿態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

3）煤巖特征的感知。該項(xiàng)控制需提取掘進(jìn)機(jī)由空轉(zhuǎn)到截割煤層、巖層時(shí)截割電機(jī)的電流以及各液壓裝置的壓力的變化等特征信號(hào)判斷掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)工作對(duì)象[3]。

4）實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面斷面的自動(dòng)成型控制。在實(shí)際掘進(jìn)截割過程中，要求智能控制系統(tǒng)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的偏移量，對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)中油缸位移量、壓力、截割速度、電流等參數(shù)的獲取實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部截割頭速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面成型的自動(dòng)化控制。

5）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制。要求操作人員可在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作面狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。

2 掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)智能化控制需求和控制目的，可通過DSP處理器、DSP處理器+CPLD系統(tǒng)、DSP+FPGA控制三種控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)對(duì)比分析可知：

1）基于DSP處理器為核心的控制系統(tǒng)存在控制集成度不高，控制邏輯功能少的缺陷；

2）基于DSP處理器+CPLD為核心的控制系統(tǒng)具有豐富的外設(shè)濟(jì)源，擁有擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集、外事部通信、精確控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等模塊，此外，該控制系統(tǒng)的編程難度低，對(duì)應(yīng)的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；

3）基于DSP+FPGA控制系統(tǒng)存在算法移植困難、研制周期長(zhǎng)、研發(fā)成本高等缺陷。

綜上所述，采用以DSP+CPLD為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的智能化控制。

2.1 智能化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本節(jié)將著重對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量結(jié)構(gòu)、數(shù)字量采集接口、模擬量采集接口、控制量DA輸出接口、通信接口以及存儲(chǔ)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體如表1所示。

表1 掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的硬件匯總

2.2 智能化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的最終目的是保證設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷面的自動(dòng)成型控制，并保證最終巷道的成型質(zhì)量可支撐下一階段采煤工作的進(jìn)行[4]。為此，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)將在合理斷面控制方法的基礎(chǔ)上基于精確的斷面自動(dòng)成型控制程序?qū)崿F(xiàn)斷面自動(dòng)成型控制。一般的斷面控制方法流程如圖2所示。結(jié)合斷面自動(dòng)成型控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的智能化控制。斷面自動(dòng)成型控制程序如圖3所示。

圖2 斷面控制流程

圖3 斷面自動(dòng)成型控制程序流程圖

3 掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的驗(yàn)證

掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)的最終控制目的是保證巷道的成型質(zhì)量和控制精度，即保證掘進(jìn)機(jī)截割部和行走部能夠根據(jù)工作面的實(shí)際情況進(jìn)行智能化控制，保證其截割路徑能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑準(zhǔn)確完成任務(wù)[5]。為此，本文在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)智能化控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證平臺(tái)

如下頁(yè)圖5所示，截割部截割頭實(shí)際軌跡與理論軌跡幾乎重合，說明所設(shè)計(jì)的智能化控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制截割頭的位置，實(shí)現(xiàn)斷面的自動(dòng)成型控制。

圖5 截割頭實(shí)際軌跡與理論軌跡的對(duì)比

4 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其掘進(jìn)效率和掘進(jìn)質(zhì)量直接影響采煤階段的生產(chǎn)效率。當(dāng)前，我國(guó)煤礦普遍存在掘進(jìn)效率和采煤效率不匹配的問題。為此，本文以DSP+CPLD控制器為核心設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室搭建驗(yàn)證平臺(tái)試驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)截割頭的精準(zhǔn)控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)截割頭的斷面自動(dòng)成型控制。