懸臂式掘進機智能截割控制系統設計

郝友賓

(西山煤電集團公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

懸臂式掘進機作為煤礦井下巷道成形作業的主要設備，提高其控制精度及自動化水平是保障巷道成型質量、降低掘進成本的關鍵[1-3]。因此掘進設備的智能控制技術是目前國內外的研究焦點[4]。懸臂式掘進機智能控制技術主要包含掘進機位姿自動檢測、機身定位、巷道截面成形和遠程狀態監測等多個方面，其主要目的是將自動化技術運用至掘進機截割部運動控制中[5]。目前國外針對掘進機無人值守及相應自動控制系統等關鍵技術的研究相對成熟，受技術封鎖及進口設備價格昂貴等因素影響，國內大部分煤礦仍采用傳統的人工控制方式，無法實現綜掘工作面的智能化控制。

掘進機的人工控制主要依靠操作人員通過按鈕操作和肉眼識別配合完成，智能化程度低下、井下人員及設備安全性較低，工作量大大增加。同時巷道成形質量及效率嚴重受人為因素影響，導致掘進作業效率低下、截割斷面成形質量差。針對上述問題，本文設計了一套以PLC為控制核心的懸臂式掘進機智能截割控制系統，可實現掘進機截割部的自動截割控制、截割頭路徑規劃及運行狀態遠程監控等功能，具有控制精度高、通訊性能良好、響應速度快等優點。

1 智能截割控制系統設計總體方案

1.1 系統功能需求分析

智能截割控制系統的主要功能是對掘進機截割部實施有效的自動控制，通過上位機控制指令實現對掘進機截割頭的移動、伸縮及搖臂上下擺動的遠程控制，從而代替人工截割控制。具體功能需求分析如下：

(1) 系統控制方式為自動+手動組合模式。系統可根據控制算法通過控制程序控制掘進機自動完成掘進工作，還可無擾動切換至手動模式，通過地面控制中心的操作臺實現人工按鈕操控。

(2) 掘進機截割部自動截割控制功能。控制系統可通過電液比例閥對掘進機截割部各油缸進行智能控制，從而實現掘進機截割頭的移動方向、伸縮距離及搖臂的擺動方向、擺動速度的自動調控。

(3) 掘進機自適應截割功能。由于井下地質環境復雜，不同質地的煤層會對掘進機造成負荷沖擊、電機過載等問題。控制系統可根據負載變化實時調節截割頭的轉速及擺動速度，實現掘進機的自適應截割，降低截割頭齒輪及液壓機構損耗[6-8]。

(4) 運行參數實時采集功能。控制系統可對掘進機的工況參數進行實時采集，并通過上位機實現顯示、處理分析、數據管理及打印報表等功能，同時所采集數據可為系統提供控制反饋，通過工況參數對掘進機運行狀態進行實時調節。

(5) 故障報警及保護功能。當監測參數或系統出現異常時，系統可及時進行故障診斷并報警，同時系統還具備電機過流保護、過負荷保護等保護功能。

1.2 系統架構

根據上述功能需求分析，本文對掘進機智能截割控制系統進行架構。該控制系統采用模塊化思想進行設計，按照不同運行功能將整個系統劃分為各功能模塊，主要包括PLC主控模塊、上位機監控模塊、運行參數監測模塊和執行機構模塊等部分。智能截割控制系統總體結構如圖1所示。

PLC主控模塊是本系統的控制核心，主要負責運行參數的采集與上傳，并通過CAN總線和RS232分別與上位機和手動模式下的遙控器進行通訊，實現控制指令的上傳下達。運行參數監測模塊主要由檢測掘進機截割部截割頭、截割臂、油缸及截割電機等主要部件參數的各類傳感器組成，用于掘進機運行狀態實時監測與控制反饋。執行機構模塊主要由電液比例閥和截割部油缸、截割頭及截割臂等設備組成，在接收到控制指令后執行相應掘進操作。系統手動模式下由人工通過遙控器和操作臺完成對掘進機的操控，遙控器通過RS232與PLC主控器實現通訊。

圖1 智能截割控制系統總體結構圖

當系統運行時，首先由運行參數監測模塊中的各類傳感器對掘進機工況參數進行實時采集，主要包括截割部截割電機的電壓電流值、掘進機機身與截割頭的位姿、油缸的油壓和油溫及位移參數等。隨后運行參數通過PLC輸入單元上傳至主控器中，然后由PLC將各運行數據傳輸至上位機監控模塊進行實時顯示及分析處理，再由上位機向PLC下達控制指令，最終通過PLC主控器的A/D模塊輸出相應數字控制信號控制電液比例閥對截割部進行液壓調控，實現掘進機的自動截割。

2 硬件方案設計

掘進機智能截割控制系統的硬件部分主要由PLC主控模塊、上位機監控模塊以及運行參數監測模塊中的各類傳感器構成。其中上位機監控模塊包括位于遠程控制室內的操作臺及工業計算機，操作臺可用于手動模式下對掘進機進行控制，工業計算機用于運行人機交互界面及控制系統，實現掘進機的遠程控制及參數監測。控制系統硬件主要選型及設計方案如下：

PLC主控器作為本系統的控制核心，其可靠性、數據解析能力及處理速度等性能指標對系統控制精度及效果影響較大。因此本文選用西門子S7-1500可編程控制器作為系統主控模塊，S7-1500 PLC的位指令最短運算時間可達1 ns，浮點運算指令最短運算時間可達10 ns，其背板總線傳輸速度為S7-400的40倍。PLC的CPU型號選用1515-2PN，負載電源模塊型號選用6EP1333-4BA00(PM 190 W 120/230 VAC)，同時PLC主控模塊需要收集運行參數監測模塊上傳的多組工況參數信號，同時向執行機構輸出數字量控制信號，因此PLC主控模塊還需配備模擬量及數字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM521(DI)、SM522(DO)、SM531(AI)、SM532(AO)。

油缸位移傳感器的主要作用是通過對掘進機截割部油缸及滾筒的位移量檢測，從而對掘進機位置進行定位，控制系統可根據該數據控制掘進機對截割面邊界處進行準確截割。本文采用MTL3本安型磁致伸縮位移傳感器來檢測油缸的具體行程。MTL3傳感器的量程為100 mm～1 200 mm，其線性誤差≤0.05%FS，遲滯≤0.001%FS，分辨率可達0.001%，可輸出4 mA～20 mA DC、0～5 V DC及0～10 V DC標準信號，可通過RS485進行通訊，滿足本系統的位移檢測需求。

除了對油缸的伸縮進行精確控制，系統還需對掘進機機身及截割頭的位姿進行測量。本文選用GLS-B30高精度激光測距傳感器來完成掘進機與礦道之間的間距檢測。GLS-B30的測量距離為0～100 m，最高精度可達±2 mm，其供電方式為7 V～24 V外部供電，可輸入4 mA～20 mA標準電流信號，并通過RS232或RS485總線實現通訊，可滿足本系統對掘進機的位姿測量需求。

3 軟件方案設計

當系統軟件運行時，首先需對控制系統進行自檢、截割參數設置等初始化操作，之后方可運行主控程序及上位機監控界面。完成初始化后，系統根據需求對控制模式進行選擇，若選擇手動模式，則通過遙控器及遠程控制室的操作臺對掘進機的截割進行人工按鈕控制；當系統處于自動截割模式時，系統首先判斷掘進機機身傾角是否超限，若超限則對機身位置進行調整，若未超限則執行自動截割程序。在自動截割程序運行時，需判斷掘進機是否過載，若未過載則按照系統內的PID算法向PLC輸出相應控制指令控制電液比例閥的輸出，從而實現自適應截割。當掘進機截割位置達到預定值時，完成整個截割工作。系統主程序流程如圖2所示。

圖2 控制系統主程序流程圖

4 結束語

本文在對掘進機自動截割控制系統功能需求進行分析的基礎上，通過硬件方案的設計選型和軟件程序設計對懸臂式掘進機智能截割控制系統進行架構，實現了掘進機的自動截割及自適應截割控制，同時可對掘進機的運行狀態進行實時監測，保證掘進機在礦井無人值守下可靠運行。