礦井掘進機智能截割控制系統的研究

申俊生

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030053）

引言

煤礦采掘過程中巷道掘進施工的速度和效率影響礦井的整體生產效率。針對傳統的掘進機截割煤巷成形效果差、效率低、強度高等問題，通過分析礦井掘進機的工作原理，基于PLC 變頻控制器設計了礦井掘進機智能截割控制系統，該系統的穩定性良好，實現了對掘進機作業姿態的精確監測和調整。

1 智能截割控制系統工作原理

礦井掘進機智能截割控制系統引入了一個虛擬化的操作平臺，在井下巷道系統的基礎上建立了3D模型，使得掘進機時刻維持在高效工作狀態。采煤機上的各類傳感器設備能夠獲得掘進機在工作過程中的實時數據，如位置、截割狀態、高度、轉動速度等，將通信中心的數據信息傳輸到地面控制系統。通過對比虛擬模型中的動作與數據庫信息，使得井下巷道內的掘進機器處于控制狀態，及時修正井下掘進截割作業狀態信息，提高截割過程數據的精確性。該控制系統具有自動截割控制與人工遠程控制兩個部分，在地質條件良好的狀況下能夠獲得較高的自動截割控制效率，在地質復雜時具有巨大的應用價值。該系統具有較高的安全性與靈敏度，控制功能強大。在掘進機發出遠程控制指令之后，虛擬現實平臺接受并將其傳遞到數據庫中，在控制PLC 的作用下反饋到真實掘進機中，提高控制過程的效率。同時，掘進機上傳感器搜集到的數據會傳遞到傳感器PLC 中，將其儲存在數據庫中，在虛擬現實平臺中發揮著重要作用。

2 礦井掘進機智能截割控制系統所用設備分析

首先，掘進機智能控制系統需要用到大型的變頻設備，可以將輸出功率控制在200 W 左右，額定電壓水平控制在1 140 V，運用逐漸下降的截割電機轉速轉矩曲線，從多個角度控制電機的正常運行。其次，該系統需要用到變頻器設備，具有轉矩包絡線控制功能，確保設備參數與曲線上的值對應。在控制轉速時，需要增加轉速的限制幅度，將截割電動機的轉矩控制在一定范圍之內。該設備輸出的頻率電流存在較大差異，分別為高、中、低3 個檔位，分別應用于巖石巷道、半煤巖巷道、全煤巖巷道當中。再次，該設備需要確保主控制器的性能，靈活調整變頻器的工作檔位情況，促使系統的破巖能力和掘進效率之間達到平衡狀態，提高速度切換的速度。當掘進位置處的地質環境發生變化時，巖層的硬度會隨之增加，該控制系統能夠自主切換擋速，解決由巖層變化導致的載荷變化問題。如果煤層的硬度低于正常范圍值，可以通過自主切換擋速提高掘進效率與質量，完善工作成果。變頻器能夠適應煤巖層的變化趨勢，使其破巖能力及掘進效率符合標準要求，實現智能化控制的目標。

3 礦井掘進機智能截割控制系統設計

3.1 控制系統的硬件結構

顯示屏是控制系統的上位機，PLC 控制中心是下位機的主要組成部分。上、下位機中的變頻器、控制開關等裝置用總線連接的方式結合在一起。將現場執行設備和變頻器設備聯系在一起，建立起高效的掘進機控制系統。主控制機和截割機之間能夠通過CAN 完成總線通信目標，實時寫入變頻器的運行參數信息，確保截割機能夠正常運行，并將具體的參數信息在顯示屏上呈現出來。

該系統采用液晶顯示屏，內含具有交互功能的接口，能夠隨時控制電機系統的開閉。同時，控制開關位于防爆箱內部，能夠完成自動變擋目標，也可以采用手動切換的方式進行自主調節。

3.2 控制系統截割控制策略

掘進機變頻器具有3 個不同的檔位。在掘進速度尚未發生變化時，截割機的載荷量會隨之發生變化，確保轉速過程的穩定。當載荷量出現下降趨勢時，轉矩也會隨之下降，需要自動變化檔位信息，通過總線系統完成通信目標，提高總線運行效率。如果系統的轉速達到最低值、電流及轉速達到規范值，主控制器會自動暫停程序，提高截割機的破巖能力及輸出效率。同時，如果電動機的轉矩及電流均低于正常范圍，主控制器需要自主增加檔位，確保掘進工作的正常進行。總的來說，該系統會以高檔位狀態開始運行，實時監控電流、轉矩及轉速信息，當三者均達到定值之后即開始降低檔位，使其維持在低檔位運行狀態，再當三者同時滿足下一定值條件時，再完成提高檔位操作，如此循環，直到完成掘進工程任務。

3.3 虛擬控制平臺的創建

采用3D 模型及信息化軟件能夠調整坐標軸狀況，通過建立相關模型提高掘進過程的可靠性與速度。在掘進機運動過程中，無需參與運動過程，可以結合實際情況建立模型，滿足虛擬控制系統的需求。掘進機遠程操作系統與控制器之間能夠完成數據通信任務，采取集成式的傳輸控制機制，調整數據信息，將其傳遞到數據庫中。同時，需要將掘進機傳感器設備中搜集到的數據信息儲存在數據庫中，靈活控制數據庫中的控制指令庫，提高操作控制效率。

3.4 視頻輔助截割系統

煤礦井下的地質環境極為復雜，記憶截割控制方案難以滿足智能化控制截割任務的需求。可以借助視頻完成人工遠程調節控制系統的創設，觀測井下截割環境的變化情況，滿足安全控制的目標與要求。在設計視頻輔助控制系統時，可以將視覺測量系統、捷聯貫導系統、超聲波傳感器及激光傳感器作為綜合傳感設備，通過以太網與計算機連接起來，計算出截割頭的姿態，確定截割軌跡，解答掘進機機身位姿狀況，提高數據解算效率，確保數據存儲質量合格。之后便將數據信息傳遞到了顯示模塊，呈現出圖形化位姿信息、軌跡信息、報警信息及歷史數據信息。

傳感器部分是整個系統的核心部分，能夠精準測量出視覺數據，提高導航定位數據的準確性，在激光傳感器和超聲波傳感器的作用下完成定位工作，優化掘進機的截割姿態，實時監控井下位置信息。可以在視覺輔助系統中安裝防爆相機，提高監測的分辨率，適應粉塵度高、能見度差的環境狀況，滿足監測精確程度要求。掘進機的機身和振臂上裝有大量的發光二極管設備，可以繪制出大致的位置狀態信息，滿足低能見度環境下的視頻監控標準。

3.5 記憶截割策略

礦井掘進機智能截割控制系統主要運用記憶截割的控制方式，在人工控制的方式下完成智能截割作業任務，完成作業過程中對位置信息、運動狀態信息的擬合，并將其保存到數據庫中，呈現出虛擬的人工掘進軌跡，在人工修正的作用下修改掘進軌跡，提高控制方案工作的有效性。在執行智能化截割任務時，需要根據巷道內部的實際位置，探索出最佳的工作狀態，使其以最優化的作業姿態完成截割作業目標。掘進機上安裝有傳感器，會將其實際運行狀態反饋到數據庫中，通過自動對比過程優化掘進機的工作效果，在閉環控制的前提下提高工作性能，切實滿足自動截割控制作業過程的需求。在進行虛擬記憶截割時，需要根據井下綜采面的實際地質狀況調整工程狀態，為下一階段工作任務的順利完成奠定強有力基礎，提前做好轉速及姿態變化工作，全面控制掘進機工作的可靠性和穩定性，實現經濟性與安全性的目標。

4 礦井掘進機智能截割控制系統的方案

4.1 PLC 控制流程分析

在短壁開采掘進機智能截割控制系統中需要用到此技術。在智能截割過程開始之后，在截割頭到左邊界的位置之后再沿著當前高度持續到右邊界，如果此時已經到達頂部，需要向上移動一個步距，并沿著當前高度一直移動到左邊界。此時再判斷距離頂點的距離情況，返回起點處，一直重復此類循環，直到智能循環過程結束。

4.2 CAN 通信協議設計過程分析

短壁綜采工作面系統中的掘進智能切割系統可以通過PLC 控制器及電氣操作系統完成數據傳輸過程。在完成系統設計時，需要設定電氣操作臺的參數，使得通信時波特率維持在正常范圍之內。需要定義好PLC 控制器與上位機CAN 通信協議之間的格式，使得智能截割控制系統時刻處于高效性。

5 應用效果分析

在煤礦采掘作業過程中，需要運用懸臂式的掘進機，完成對采面回風港及矩形煤礦的掘進工作，根據地質地形資料計算出預計巷道長度。在掘進過程中，可能會遇到半煤巖巷道，煤層的硬度值維持在0.7～1.3 之間，總面積大約為20 m2。該控制系統可以通過變頻器控制轉矩包絡線功能，不斷調整應用結果的換擋參數，使其自動完成換擋操作任務。隨著電機載荷量的增加，在自動換擋之前，變頻器轉速會降低，滿足轉矩與電流的需求，在此過程中，3 個參數的變化曲線均呈現出較為平滑的狀態[1-2]。

6 結語

智能化截割控制系統包括變頻器、主控制器、自動化轉換器等，可以通過電機載荷的變化情況完成自動換擋的操作任務，提高掘進工作的效率與質量，切實保障工程施行的安全性。在現場運用過程中，需要根據電機的載荷情況進行自動換擋，根據巖層的特點完善掘進機的運行功能，提高掘進機工作效率與質量，提高現場應用效果。