懸臂式掘進機自動截割控制系統的設計分析

楊晨亮

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業， 山西 運城 043300）

引言

目前，由于礦井裝備的自動化與機械化速度加快，采掘設備被逐步廣泛應用于各大煤礦中，其中懸臂式的掘進機被應用較多，由于現場人員對其在實施操作控制時要按照井下不同的煤巖的地質來實施，而且存在很多的不確定因素，導致開采作業時產生了許多問題。因此，設計了一種掘進機截割自動控制系統，通過變頻與智能控制，按照其變化的狀況實施自動化、智能化的調節截割電機的運行參數，促使掘進迅速、安全與穩定的進行。

1 掘進機的構成

在本文中設計截割控制系統采用的研究對象是EBZ-200 型懸臂式掘進機，其使用非常普遍，懸臂式掘進機結構圖如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進機結構示意圖

以巷道設計為基礎，懸臂式掘進機按照設計的截割途徑，截割煤巖體使用的是截割頭與截割臂的轉動與移動，一直到巷道斷面。按照懸臂式掘進機做工特征，懸臂式掘進機控制的對象主要是油缸的運行參數和移動，而且其特點是自適應調速、路線規劃、自動截割作業等[1-2]。

2 控制系統的總體控制方案

為使懸臂式掘進機實現自動截割，以計算機與可編程控制器為基礎并結合懸臂式掘進機的主要結構，設計了一種懸臂式掘進機自動截割控制系統，提出了控制系統的總體控制方案，使以下功能得以實現，如可視化顯示、截割頭姿態、遠程通信、截割路徑跟蹤和截割路線規劃等，圖2 即為控制系統方案。

圖2 控制系統方案

控制系統的運行流程為：懸臂式掘進機中的油缸的有關參數如電流、位移、流量、溫度等會被A/D轉換器采集并輸送給可編程控制器，根據其對截割頭的姿態與位置的分析，然后計算機接收CAN 通訊傳遞的信息[3]。根據技術參數、斷面的形狀、巷道的尺寸等信息，使可編程控制器的以下功能能夠實現，如自適應轉速的調節與截割路線規劃。使用具有通訊功能的計算機與可編程控制器，在截割軌跡與規劃截割路線的基礎上，計算控制量的實現使用的方法是截割臂軌跡自動跟蹤算法，然后為了控制電液比例閥需要D/A 轉換器對電流進行輸出與控制，促進自適應截割控制截割頭得以實現。

3 控制系統的硬件部分

控制系統組成框圖即為圖3。從圖3 中可知，下位機、檢測單元、執行單元、控制單元等構成了控制系統。把檢測單元安裝在懸臂式掘進機中，其能夠通過每種傳感器把有關掘進機截割的所有信息參數獲取到，控制單元能夠記錄與儲存所有被傳感器獲取的數據信號，分析掘進機截割頭工作時候的截割狀況，自動控制掘進機截割流程的是執行單元。

圖3 控制系統組成原理圖

表1 控制系統硬件選型

4 控制系統的軟件部分

設計控制系統使用的是貝加萊Automation Studio 仿真軟件，貝加萊Automation Studio 仿真軟件有以下特點：多樣的控制目標、簡便的C++語言程序、高效的自動化組件[4]，而且開發上、下位機系統的條件都符合。

4.1 控制的基本

按照掘進機截割頭不同角度與位移分解對應的姿態和位置，掘進機自動控制得以實現的基礎是把掘進機的姿態與位置進行盡快更正。把三維直角坐標系建立在掘進機需要掘進的巷道中，在坐標系中，與巷道底板垂直向上的用X 軸表示，為其正向，與巷道的水平方向相同的用Y 軸表示，為其正向，與掘進機掘進方向相同的用Z 軸表示，并為其正向。

在三向分解掘進機的機身的姿態和位置以后，依據對其姿態和位置進行測量之后得到的數據，更正其姿態和位置，進而確保掘進機的姿態與位置始終都是正確的。

4.2 自動截割控制

PID 控制技術被控制系統用于自動截割控制掘進機，PID 控制技術有以下優點，如運行可靠、結構簡單、線性控制等，而且在井下現場操作的環境下也可以使用。起初，把PID 控制器的參數進行設置，并把測量出來的偏差數據輸入到PID 控制器，能夠判斷與分析數據，然后處理結果被通訊系統當做輸出信號，進而實現控制與掘進機有關的機構，促進閉環控制系統的形成[5]。

把與自動截割控制有關的數據進行采集是PID控制器第一步要做的，并把回轉體中心安裝在旋轉編碼器，把截割臂安裝在位移傳感器，采集截割臂縱向的位移數據的是位移傳感器，采集截割臂橫向的位移數據的是旋轉編碼器。在計算與比較被傳感器收集的給定值和數據信號的偏差，并讓PID 控制器接收與計算偏差值，計算完成后并把相對應的信號輸出來，實現控制掘進機截割臂的動作，使CAN 總線成為連接整體的PID 控制器和別的設備的紐帶。掘進機截割臂PID 控制器工作流程示意圖如圖4 所示。

圖4 掘進機截割臂PID 控制器工作流程示意圖

5 結語

懸臂式掘進機自動截割控制系統是基于計算機與可編程控制器，下位機、檢測單元、執行單元、控制單元構成了整個控制系統，使以下功能得以實現：可視化顯示、檢測截割頭姿態、跟蹤截割路徑、規劃截割路線等。井下掘進工作面應用的模式是手動截割模式，其缺點粉塵污染較大、能見度比較低，現場操作人員在操作移動截割臂與轉算截割頭動作時只能根據經驗來操作，斷面成型的時間平均是22 min，作業效率較低，造成比較差的巷道斷面成型效果；但自動截割模式與手動截割模式相比，自動截割模式的巷道斷面成型效果好，形成的時間只有19 min，減輕了掘進作業人員勞動強度，提高了掘進作業效率。