懸臂式掘進機智能化控制系統(tǒng)研究

宋慶民，袁小浩，劉 權

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

隨著采煤技術和方法的不斷改進，煤礦機械的自動化發(fā)展已日新月異。煤礦采掘設備自動化程度越來越高。采掘工作面工況復雜危險，視野受限，煤塵、粉塵、噪聲、潮濕等危害因素無處不在，目前，掘進機的掘進方式主要為崗位工在駕駛室上隨機人工手動操作，操作過程中崗位工還得隨時觀察周圍的作業(yè)環(huán)境。操作臺在掘進機左側，不能觀察右側截割情況。還需配專人指導作業(yè)，安全系數(shù)較低，易發(fā)生安全事故，自動化水平低，掘進速度慢，嚴重制約煤礦的高效發(fā)展[1]。

以中煤科工山西華泰陽坡泉煤礦10110運輸順槽掘進工作面為工程背景，技術人員與三一重裝廠家共同進行懸臂式掘進機硬件和軟件的改造來進行智能化控制系統(tǒng)研究，該系統(tǒng)融合無線通信、數(shù)字視頻處理、光纖通信和工業(yè)網(wǎng)絡等先進技術，能夠實時觀測掘進工作面迎頭各系統(tǒng)的運行情況，可為安全生產(chǎn)提供直觀的圖像信息和數(shù)據(jù)信息，同時該系統(tǒng)的研制可大大提高掘進巷道崗位工的舒適性和安全性，極大提高安全系數(shù)和掘進速度[2]。

1 工程背景

陽坡泉煤礦井田地處河東煤田北部，煤層賦存淺、煤層傾角平緩，針對特厚煤層的特點采用2個開采水平分別開采全井田10號和11號、13號煤層，其中運輸順槽10110掘進工作面10號煤層南翼一采區(qū)西側，北部為10110設計工作面，南部為10102運輸順槽，西部為實體煤，東部為南翼主運、輔運、回風巷。10110運輸順槽掘進長度1 157.47 m，設計巷寬5.5 m，巷高3.7 m，沿底板掘進，掘進方式為綜掘機掘進，適合改造懸臂式掘進機來進行智能化控制系統(tǒng)的研究工作。

2 懸臂式掘進機硬件改造

懸臂式掘進機硬件改造方面主要是需要在機身上安裝2個改造的電控箱并需要重新接線，同時更換截割臂升降、回轉、截割頭伸縮、鏟板升降、后支撐升降油缸，加裝行程傳感器；增加電磁閥控制油缸；需要更換星輪馬達、一運馬達、行走馬達；并且同時擺動掘進機截割臂至極限位置來進行精度校正[3]。

2.1 液壓件

把掘進機的油缸更換為帶有傳感器的油缸，且更換后需要開闊空間對傳感器進行標定校準，目的是保證掘進機截割臂升降、回轉角度的檢測精度。增加電磁閥組來控制油缸。星輪馬達、一運馬達、行走馬達更換為帶傳感器安裝位的專用馬達。液壓系統(tǒng)增加遙控操作系統(tǒng)，更換電液控三聯(lián)多路閥、電液控七聯(lián)多路閥電磁換向閥、手動換向閥、齒輪泵、溢流閥等。

2.2 機械件

增加攝像頭防護罩、無線信號接收器防護罩等機械件。

2.3 電氣件

電控箱內增加慣導，現(xiàn)場測量標定慣導與掘進機回轉中心的相對位置。電控箱內增加遙控器信號接收模塊。

電控箱內增加激光測距傳感器接收器。增加采集傳感器數(shù)據(jù)的IO模塊，并增加相應電氣線路及防爆電控箱。增加掘進機無線信號接收站，并增加相應的電氣線路及防爆電控箱。

2.4 外部設備

外部設備包括掘進機外部遠程操作臺(含防爆電腦顯示器)；近控遙控器、遠程遙控器；遙控器數(shù)據(jù)交換箱；控制信號數(shù)據(jù)交換箱、控制信號天線。

3 智能化控制系統(tǒng)

懸臂式掘進機智能化控制系統(tǒng)以機載慣性導航系統(tǒng)為平臺，搭建掘進機模型及算法，并融合了截割軌跡在線監(jiān)測、自動控制、自動補償、遠程可視化和超視距控制等先進技術。

3.1 三維定位截割

以慣導系統(tǒng)為平臺，控制掘進機的運行軌跡，通過自動截割算法，實現(xiàn)自動定位截割。圖1為慣導系統(tǒng)三維坐標系。分別為：掘進機作業(yè)控制尺寸鏈、掘進機連桿坐標系和巷道模型斷面[4]，如圖2～4所示。

圖1 三維坐標系

圖2 掘進機作業(yè)控制尺寸鏈

圖3 掘進機連桿坐標系

圖4 巷道模型斷面

3.2 掘進機三維實時仿真系統(tǒng)

掘進機三維實時仿真系統(tǒng)，智能化控制系統(tǒng)首次應用于掘進機領域，真實還原了掘進機工作場景。采用三維動畫設計，畫面生動，集成巷道自動成型功能、遠程可視功能、數(shù)據(jù)上傳功能、地面集中控制及井下遠程操作站控制[5]，如圖5所示。

圖5 掘進機三維實時仿真工作場景

3.3 截割軌跡在線監(jiān)測技術

智能化控制系統(tǒng)采用截割軌跡在線監(jiān)測技術有效地突破了井下因粉塵大而無法遠距離操作的難題[6]，使超視距巷道截割成為現(xiàn)實，建立以“截割軌跡為主，視頻為輔助”工作模式。軌跡界面如圖6所示。

圖6 截割軌跡界面

高適應性：拱形巷道、矩形巷道、梯形巷道，修改參數(shù)適應不同煤礦巷道條件。

定位誤差?。壕珳诗@取掘進機截割頭在巷道空間內位置坐標，誤差≤5 mm。

成型誤差?。哼吔缃邓偌斑吔缦尬唬锏莱尚驼`差≤150 mm[7]。

3.4 自動控制技術

按照掘進巷道的方位角，掘進機通過自動控制技術來調整機身姿態(tài)，自動糾正與巷道中心線的位置偏差，完成直線行走與糾偏。掘進機組在智能截割過程中，當煤巖硬度急劇變化(如遇到夾矸)時，通過分析截割臂擺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，通過分析截割頭的總阻力，依據(jù)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，從而控制調整截割臂擺速。而且掘進機還能夠根據(jù)巷道腰線自動調整截割巷道坡度，無腰線巷道能自動適應煤層頂?shù)装澹{整巷道坡度。

3.5 自動補償技術

基于慣性導航系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，并結合巷道斷面尺寸，建立掘進機與巷道工作面的相對關系數(shù)學模型。依托截割部裝載的磁滯位移傳感器對截割頭位置坐標進行感知，自主計算各工作點的截割伸縮補償量，并精準控制伸縮油缸，實現(xiàn)工作面的平整化，減少欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。通過慣性導航系統(tǒng)、激光測距傳感器及行走里程傳感器的傳感網(wǎng)絡技術結合，對掘進機姿態(tài)、行進距離及位置偏移檢測。完成機身位置糾偏、行走自主調直功能，累積進尺10 m內誤差±50 cm。

3.6 自動截割、姿態(tài)檢測

通過慣性導航系統(tǒng)對巷道設計的方位角進行識別，實現(xiàn)掘進機高精度位姿測量[8]。

三軸石英加速度計輸出掘進機信號，經(jīng)過導航計算后，換算為速度和位置，按設計巷道斷面軌跡自動截割。

三軸光纖陀螺儀輸出信號經(jīng)過姿態(tài)航向計算后，確定懸臂式掘進機的姿態(tài)和航向角，實現(xiàn)掘進機自身位姿參數(shù)的自動檢測和顯示。

3.7 截割軌跡監(jiān)測

自動截割控制系統(tǒng)以監(jiān)控軟件為整個通信系統(tǒng)的OPC客戶端，采用OPC的方式與ZOPC服務器進行通信，讀取ZOPC服務器中的數(shù)據(jù)，按照主控制器地址分配表解析數(shù)據(jù)，解析完成的數(shù)據(jù)存入到Kepserver服務器，供客戶端用戶取用[9]。

具備定位或者仿形切割功能，主控制器通過自動截割算法實時控制截割頭動作。根據(jù)巷道實際條件，記憶截割路徑及控制工藝，實現(xiàn)巷道斷面一個循環(huán)500～800 mm定位截割，同時具有工作面邊界報警功能，斷面成型誤差小于15 cm。

3.8 遠程可視化和超視距控制技術

掘進機實時監(jiān)控采用無線WiFi傳輸和5G遠距離光纖傳輸方式相結合模式，上傳的監(jiān)控畫面視頻信號傳輸延時小于 50 ms，控制動作信號最大延時小于300 ms，并且控制距離大于1 000 m，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控畫面中效果模糊，傳輸速率低，光線不足拍攝效果差等缺陷，具有超高速、高可靠、低時延特性，滿足了智能化控制系統(tǒng)對監(jiān)控畫面?zhèn)鬏數(shù)男畔鬏攷挕⑺俣取r延等方面的需求[10]。

遠程控制技術主要由機載控制器運行軟件、遠程監(jiān)控軟件和地面遠程監(jiān)控主機運行軟件3個部分組成。

機載控制器采集各傳感器數(shù)據(jù)，接收遠程監(jiān)控主機與遙控器控制命令，并將命令輸出到執(zhí)行機構。

井下主機監(jiān)控軟件負責人機交互、作業(yè)控制、數(shù)據(jù)分析與故障報警。

地面遠程監(jiān)控主機，能夠實時監(jiān)測掘進機截割電機的運行狀態(tài)，實時顯示掘進機的姿態(tài)，掘進頭的位置信息，并實現(xiàn)遠程故障報警與保養(yǎng)提醒等功能[11]。掘進機遠程視頻監(jiān)控攝像頭分布如圖7所示。

圖7 掘進機遠程視頻監(jiān)控攝像頭分布示意

在10110運輸順槽掘進工作面迎頭位置安裝一臺本安云臺攝像儀，在掘進機機身左前、右前、正后、正前4個位置分別安裝防爆攝像頭，如圖7所示。4個攝像頭采取固定設計，減少攝像儀的人工挪移，方便纜線的保護。采用納米玻璃減小摩擦系數(shù)，阻止污染物駐留，澆封設計提高抗震性能。掘進機上設減震裝置，攝像儀采用電子減震技術，通過圖像補充減小截割過程中攝像儀的振動。

掘進機機身上安裝SYMC運動控制器和SYCM擴展模塊，SYMC運動控制器通過CAN總線內置電流、電壓、漏電、油溫、液位、壓力傳感器和慣性導航系統(tǒng)，SYCM擴展模塊內置電氣控制器件、電磁閥組和磁滯位移傳感器，機身還安裝遙控接收器[12]。實時監(jiān)控的畫面及各種傳感器獲得的信息通過無線傳輸給10110順槽皮帶的監(jiān)控分站，再通過光纖傳輸給井下視頻監(jiān)控主機到井下環(huán)網(wǎng)交換機，最后到地面的調度室監(jiān)控主機，可實現(xiàn)掘進機數(shù)據(jù)與工作面視頻上傳至遠程操作臺和地面調度室，系統(tǒng)在遠端實時顯示掘進工作面環(huán)境圖像、傳送掘進機運行工作狀態(tài)、油溫、系統(tǒng)工作時間、截割計時、慣性導航系統(tǒng)上傳的姿態(tài)方位角信息、巷道參數(shù)的設置界面、截割頭軌跡在線監(jiān)測、截割方式和功能選擇。

操作臺對設備的工作環(huán)境及自身情況進行監(jiān)控展示，實時采集掘進機的電壓、電流、油溫、瓦斯等關鍵狀態(tài)信息，將信息進行分析處理后傳輸至遠程和地面監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)可以滿足掘進機本地操控、不低于50 m無線遙控和不低于400 m遠程控制(或地面遠程控制)主遙控器3種模式。掘進機遠程控制系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 掘進機遠程控制系統(tǒng)示意

4 結論

懸臂式掘進機智能化控制系統(tǒng)通過在10110運輸順槽掘進工作面進行現(xiàn)場工況試驗，實現(xiàn)對掘進機的遠距離、實時、精準控制，改善崗位工的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)效率和安全系數(shù)。