掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

邢躍斌

（山西古交西山義城煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 古交 030203）

引言

煤礦井下綜掘工作面用掘進(jìn)機(jī)具有采掘效率高、靈活性強(qiáng)、巷道斷面可控的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。為保證掘進(jìn)機(jī)安全生產(chǎn)，達(dá)到減員增效的目的，國內(nèi)外科研院所對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部自動(dòng)控制系統(tǒng)展開一系列的研究，如德國艾柯夫公司設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)截割自動(dòng)控制系統(tǒng)，將截割頭軌跡的控制精度精確至50 mm以內(nèi)，最大定向距離可達(dá)400 m；英國ZED儀器公司設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)斷面成形控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位截割頭三維位置信息，極大提高了巷道斷面成形質(zhì)量；日本三井三池公司設(shè)計(jì)的能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)截割功率的智能截割控制系統(tǒng)，在提高截割效率的同時(shí)極大降低了截割能耗[1-3]。國內(nèi)的石家莊煤機(jī)、三一重工、中國煤科等單位也相繼對(duì)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割、截割路徑規(guī)劃、自適應(yīng)截割等問題進(jìn)行了深入的研究和探討，并在開灤錢家營礦、大同塔山礦等開展工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)效果[4-5]。本文基于實(shí)時(shí)控制器，設(shè)計(jì)一種掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部液壓油缸進(jìn)行精確電液伺服控制，改善巷道成形質(zhì)量，提高截割工作效率。

1 自動(dòng)截割控制策略

掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)由截割臂調(diào)高液壓油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)伸縮液壓油缸分別完成截割頭的垂直、水平控制。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制，在掘進(jìn)機(jī)液壓油缸、機(jī)身安裝傳感器裝置、配套的數(shù)據(jù)采集裝置、上位機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)截割控制系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)控制器，直接驅(qū)動(dòng)截割臂調(diào)高液壓電液伺服閥、回轉(zhuǎn)臺(tái)伸縮液壓電液伺服閥工作。掘進(jìn)機(jī)截割部自動(dòng)截割控制系統(tǒng)框圖見圖1所示。安裝的兩通道距離傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)高液壓油缸以及回轉(zhuǎn)臺(tái)液壓油缸行進(jìn)距離。數(shù)據(jù)采集卡將獲取的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后周期性地傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。上位機(jī)控制系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程、轉(zhuǎn)換并下載至實(shí)時(shí)控制器的現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)控制器中，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后將驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)直接作用于電液伺服閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)截割臂精確調(diào)高控制、對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)精確伸縮控制，從而控制掘進(jìn)機(jī)截割頭的準(zhǔn)確位置，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制[6]。圖1中的智能經(jīng)緯儀用于實(shí)時(shí)檢測(cè)截割頭的空間位置變化，并將數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)硬件部分由傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、實(shí)時(shí)控制單元以及液壓控制單元四部分組成，核心硬件主要包括距離傳感器、實(shí)時(shí)控制器及其I/O擴(kuò)展、數(shù)據(jù)采集卡、智能經(jīng)緯儀以及電壓伺服閥等。

傳感器單元：掘進(jìn)機(jī)截割臂調(diào)高距離范圍為1 097.1~1 749.0 mm，回轉(zhuǎn)臺(tái)伸縮距離范圍為1 521.5~2 280.9 mm，選用HD-DS200CM紅外測(cè)距傳感器，輸出信號(hào)為0~5 V的電壓信號(hào)，測(cè)量范圍為1 000~3 000 mm，靈敏度為0.002 5 V/mm。智能經(jīng)緯儀的激光接收裝置的安裝電位于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中軸線對(duì)稱位置，成等邊三角形分布；在智能經(jīng)緯儀的后方指定距離安裝檢測(cè)裝置，測(cè)量的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的姿態(tài)參數(shù)為（θx，θy，θz，x，y，z），該六個(gè)掘進(jìn)機(jī)截割頭空間參數(shù)實(shí)時(shí)變化[7]，以六路電壓信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集單元：經(jīng)分析，掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有測(cè)距傳感器信號(hào)4路、經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)信號(hào)6路，共10路數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)采集卡的輸入數(shù)據(jù)通道需大于等于10，且輸入信號(hào)支持0~5 V的電壓信號(hào)。為滿足截割臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)距離測(cè)量精度，選用16位模擬量輸入數(shù)據(jù)采集卡。選用的數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為PCI-1742，該采集卡的輸入通道為16，輸入信號(hào)為電壓信號(hào)且范圍為-10~10 V，采樣頻率為0~1 MHz，分辨率為16位。

實(shí)時(shí)控制單元：實(shí)時(shí)控制器選用的型號(hào)為CRIO-9025，該控制器能夠正確執(zhí)行上位機(jī)系統(tǒng)程序，并完成程序跟蹤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及設(shè)備間通信等功能[8-9]。輸出模塊選用的型號(hào)為支持8通道輸出信號(hào)的NI-9485I/O模塊，可直接控制電液伺服閥；NI-9802輸出模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。

液壓控制單元：由電液伺服閥、液壓油缸、溢流閥以及油泵等組成，其中電液伺服閥直接完成對(duì)液壓油缸的控制[10]。電液伺服閥能夠?qū)⑽⑿‰娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為液壓流量、液壓壓力信號(hào)并卻動(dòng)液壓油缸動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于CRIO-9025實(shí)時(shí)控制器以及上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)功能可將軟件部分進(jìn)行模塊劃分，詳見圖2所示。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)要求，將軟件部分劃分為系統(tǒng)登錄管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、映射節(jié)點(diǎn)分析模塊、輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、信息監(jiān)控模塊以及基本動(dòng)作控股之模塊8部分。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)經(jīng)系統(tǒng)登錄管理模塊登錄至軟件系統(tǒng)，可完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)據(jù)采集卡傳送的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)至輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并與映射系統(tǒng)分析模塊中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，將分析結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，變更成輸出驅(qū)動(dòng)模塊可接收并可直接作用于電液伺服閥的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，由實(shí)時(shí)控制器處理后完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂、回轉(zhuǎn)天液壓油缸的精確控制[11]。信息監(jiān)控模塊同時(shí)接收數(shù)據(jù)采集模塊、輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊以及映射節(jié)點(diǎn)分析模塊數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。基本動(dòng)作控制模塊與輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊共享數(shù)據(jù)，但其優(yōu)先級(jí)相對(duì)較高，輸出驅(qū)動(dòng)模塊優(yōu)先接收并處理基本動(dòng)作控制模塊數(shù)據(jù)，如對(duì)截割頭的回零、掃底、刷幫控制等。

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)軟件模塊劃分

掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主流程見圖3所示，控制系統(tǒng)上電并完成初始化后，控制截割頭至初始位置，或檢測(cè)該截割頭的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指定程序。可執(zhí)行的指定程序有截割部開始、回零、掃底、截割、刷幫、實(shí)時(shí)控制以及停止。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)軟件流程

4 掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)方案實(shí)際應(yīng)用于EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，并完成工業(yè)試驗(yàn)。在上位機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置超挖、欠挖報(bào)警極限值，以便滿足該巷道的截割作業(yè)軌跡要求。掘進(jìn)機(jī)實(shí)際截割過程中，在某一時(shí)刻截割臂俯仰角為-0.087°，實(shí)際俯仰角為-0.085°，偏差約為3.1%；機(jī)身橫滾角監(jiān)測(cè)值為0.043°，實(shí)際機(jī)身橫滾角為0.042°，偏差為2.3%。即該控制系統(tǒng)的控制精度較高，巷道成形較好。掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割過程時(shí)，故障發(fā)生率較低，提高了掘進(jìn)工作效率。