掘進機遠程智能控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用分析

吳冬冬

（蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西晉城048000）

在進行煤礦建設(shè)和煤炭生產(chǎn)的過程中，巷道掘進起著至關(guān)重要的作用。巷道掘進在生產(chǎn)和加工時具有推進工程量大、安全隱患高的特點，但在使用過程中從業(yè)人數(shù)卻非常廣。據(jù)數(shù)據(jù)反饋，從事巷道掘進所造成的安全事故是同類行業(yè)事故中最多的。隨著近些年科技水平的進步，巷道挖掘技術(shù)已經(jīng)通過機械設(shè)備所實現(xiàn)，但是其在控制方面仍沒有完全達到智能化和自動化。與煤礦工程的其他設(shè)備工作面進行比較，在掘進工作面上所引進智能化技術(shù)偏少。在礦井下進行工作時，掘進設(shè)備主要是靠單臺機器來進行工作，并不能夠與其他機械進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)協(xié)同化和智能化工作，這就往往造成掘進設(shè)備工作起來效率低、自動化程度不高，因此為了促進掘進技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)當要求發(fā)展創(chuàng)新特點，對掘進工作面進行科研攻堅，盡快實現(xiàn)其設(shè)備的自動化發(fā)展思路。而進行科研的重點應(yīng)該放在礦用掘進機上，可通過智能化技術(shù)的加持，盡快對其作業(yè)狀態(tài)進行升級，達到自動化控制，減少事故的發(fā)生率[1]。

綜上所述，在現(xiàn)有的掘進設(shè)備的技術(shù)上，若能再輔助一些智能化控制改進措施，則可以提高礦井的掘進效率，同時也可以減少事故的安全隱患，研究該方向具有很強的現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有掘進機控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前，在對掘進機的設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)自動化，要對其進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要工作是明確掘進機的預(yù)計動作實現(xiàn)以及故障排除的工作，但是掘進機在礦井下進行生產(chǎn)工作時，其實際工作狀態(tài)總是有意外情況產(chǎn)生，所以目前對掘進機的控制系統(tǒng)設(shè)計并不能夠正常運行，主要存在以下問題：

（1）現(xiàn)有的掘進機控制芯片一般采用的是單片機，很少采用更為便利的PLC 控制，且在邏輯語言上也存在處理能力弱、運行速度慢的缺點。

（2）在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)，目前所采用的CPU處理器較落后，如果在礦井下工作時面對復(fù)雜狀況，因為其運算能力差而沒辦法進行精確的計算以至于做出相應(yīng)控制。

（3）采用的控制系統(tǒng)對突發(fā)狀況預(yù)警存在不及時情況，如環(huán)境變化所引起的溫度等狀況，僅能夠在返回時得到預(yù)定需采集的數(shù)據(jù)。

（4）該控制系統(tǒng)在對所采集的數(shù)據(jù)沒有辦法及時回傳，只能起到保存作用，這就決定其無法根據(jù)現(xiàn)場實際情況來回傳數(shù)據(jù)，從而做出相應(yīng)判斷。

通過對目前掘進機的控制系統(tǒng)進行分析發(fā)現(xiàn)，對其控制系統(tǒng)進行研究具有很強的現(xiàn)實意義，同時將目前較為成熟的自動化技術(shù)運用到掘進機上，將會使整個礦井掘進的安全隱患減少且能使工作效率提高。

2 遠程智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計

在以往的設(shè)計案例中發(fā)現(xiàn)，增加掘進機的遠程控制系統(tǒng)能力可以提升掘進機在礦井內(nèi)的工作效率，所以必須加強其遠程控制系統(tǒng)的建設(shè)。控制系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，其中包含有數(shù)據(jù)采集模塊、遠程通訊系統(tǒng)模塊、導(dǎo)航定位子系統(tǒng)、井下遠程集控中心、設(shè)備集控聯(lián)動、地面遠程集控中心等部分。數(shù)據(jù)采集模塊主要目標是實現(xiàn)井下集控，地面遠程控制，且能夠和總平臺實現(xiàn)實時對接和數(shù)據(jù)反饋的功能，從而實現(xiàn)自動化，其采集的數(shù)據(jù)主要包括動態(tài)類數(shù)據(jù)，如環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、姿態(tài)監(jiān)測、安全監(jiān)測系統(tǒng)、自動截割系統(tǒng)以及工作面視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時還有靜態(tài)類數(shù)據(jù)，如排水、供電、帶式輸送機、通風等設(shè)備數(shù)據(jù)。掘進機操控臺、防爆主機、四屏顯示器、防爆硬盤刻錄機、集控倉、鍵盤、鼠標等專業(yè)性軟件組成了井下遠程集控中心。而地面遠程集控中心則是由計算機主機、顯示器、工業(yè)交換機、操作面板燈組成的，其主要作用就是可以將地下采集的數(shù)據(jù)進行演示，并且能夠?qū)碌木蜻M設(shè)備實現(xiàn)遠程控制，包括開機和暫停等智能性操作[2]。

圖1 煤礦掘進機遠程智能控制系統(tǒng)總體框架

最后，在該系統(tǒng)中所用到的遠程通訊子系統(tǒng)是利用控制平臺的5G系統(tǒng)，將井下集控中心的交換機信息傳輸?shù)骄希瑥亩鴮⒕闲盘杺鬟f給控制平臺而實現(xiàn)遠程通訊，該系統(tǒng)朱勇是結(jié)合了車載高清攝像儀、機電控制系統(tǒng)、安全防護傳感器、語音對講設(shè)備、井下集控中心、遙控收發(fā)裝置等所組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)。該系統(tǒng)的操作模式可以結(jié)合多種操作模式，但現(xiàn)場操作可以優(yōu)先于其他操作模式，同時將其他模式鎖定，從而保證現(xiàn)場操作的安全性和準確性。

3 掘進機遠程智能控制系統(tǒng)中關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 導(dǎo)航定位子系統(tǒng)設(shè)計

掘進機在實現(xiàn)智能化的過程中，限制其發(fā)展的技術(shù)是自動導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心包括了截割頭定位技術(shù)和掘進機車身定位系統(tǒng)，并且整個子系統(tǒng)包含了CPU、激光物位儀、激光陀螺慣性導(dǎo)航、GPU、加速器、激光陀螺等組件。激光陀螺慣性導(dǎo)航和三維激光掃描儀融合技術(shù)驅(qū)動了掘進機的車身定位系統(tǒng)。三維激光掃描儀的成像如圖2所示，它的工作原理是用內(nèi)置的激光雷達對預(yù)定的相關(guān)標靶提前掃描，然后將掃描產(chǎn)生的云數(shù)據(jù)再發(fā)送給CPU 進行圖像處理，最終進行建模和計算的過程。與此同時，車身在工作時通過截割臂的一系列動作（如回轉(zhuǎn)、升降、伸縮等）末端的傳感器進行感應(yīng)，將截割頭相對于巷道的具體位置進行收集和反饋。斷面自動截割成型的主要數(shù)據(jù)來源就是通過截割頭位置信息得到的。圖3反映的是導(dǎo)航定位子系統(tǒng)的總體框架。

圖2 三維掃描儀檢測

圖3 導(dǎo)航定位子系統(tǒng)總體框架

3.2 負載自適應(yīng)控制技術(shù)設(shè)計

掘進機在井下進行工作時，如果忽略井下地質(zhì)條件的影響則會使得掘進機設(shè)備受到傷害，因為地質(zhì)的材質(zhì)不同區(qū)域、不同斷面的硬度差別很大，面對不同的地質(zhì)情況，掘進機的截割速度也要實時進行調(diào)整，所以在進行信號反饋時也需要對掘進機的工作負載進行研究。

對掘進機的工作負載進行研究，要實現(xiàn)其負載自適應(yīng)技術(shù)，主要是通過輸入一些參數(shù)來判斷是否和工礦條件匹配，如截割升降油缸或截割回轉(zhuǎn)油缸壓力參數(shù)、機身航向角變動的頻率參數(shù)、截割電機電流參數(shù)，這些參數(shù)進行輸入時會和控制器上的PLC進行比較得到相關(guān)的負載匹配率η，然后在通過η對截割升降機和回轉(zhuǎn)機的電磁閥進行控制，從而通過控制電流改變其負載能力，就是通過這種方法來實現(xiàn)自適應(yīng)負載的控制，從而使機器的運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，會避免因為超負載而造成對機器的損傷。圖4反映的是掘進機負載自適應(yīng)控制邏輯。

圖4 掘進機負載自適應(yīng)控制邏輯

3.3 姿態(tài)自調(diào)整及防撞技術(shù)研究

掘進機在工作過程中常因為位置發(fā)生變化影響截割的正常工作，主要是受到三方面的影響：一是因為被截割的巖石給機器的發(fā)作用力，導(dǎo)致掘進機發(fā)生了位移偏差。二是因為在掘進過程中為了保證整體成形的平整度，常常使機器在前進和后退時通過調(diào)整位置來保證截割頭在每次工作過程中的進給深度一致。三是因為機身的四個角配備有坐標器，不能相對于巷道側(cè)幫有偏差，如果距離低于了閾值時會自動觸發(fā)警報，同時通過控制器對機身進行實時位置調(diào)整。

以上三種情況都可以通過不同的控制方式來實現(xiàn)機身的自動調(diào)整方案，但考慮到掘進機是在履帶的作用下進行行走，結(jié)合其行走特點，所以通過分析決定改用將履帶的行走速度的絕對值設(shè)為固定值這種方式來實現(xiàn)自動調(diào)整，從而保證計算模型的精確性。

3.4 危險區(qū)域人員識別技術(shù)分析

在井下或危險區(qū)域進行工作時，往往發(fā)生安全事故的概率較大，因此為了提防在以上區(qū)域發(fā)生危險，所以特定設(shè)計了危險區(qū)域人員識別技術(shù)。這種技術(shù)的工作原理是當在開機運行過程中如果在附近5m監(jiān)測有人員活動，則會通過在機身上安裝的紅外傳感器進行精準定位，同時驅(qū)動聲光報警器進行報警，對進入附近的生產(chǎn)人員進行提醒；同時在該系統(tǒng)正常工作過程中，會將外界誤闖信息進行識別報警，從而反饋至監(jiān)控平臺上。

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

在掘進機中進行集成應(yīng)用測試，通過該系統(tǒng)對掘進機進行綜合控制能力的測試，可以很好地對該控制系統(tǒng)的綜合性能進行驗證。在對該系統(tǒng)的應(yīng)用過程進行調(diào)查分析時發(fā)現(xiàn)，其整體運行控制工程較好，可以在控制過程中通過采集模塊來實現(xiàn)對掘進機的不同作業(yè)姿態(tài)進行控制，同時可以將設(shè)備的一些運行參數(shù)進行收集和反饋，且能夠準確地將采集數(shù)據(jù)傳輸至控制平臺。另外，該平臺的導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的不同動作建立模型從而將數(shù)據(jù)和資料庫進行匹配，控制人員可以將采集的數(shù)據(jù)進行匯總和分析，從而對目前設(shè)備的各個零部件功耗情況進行分析，從而保證設(shè)備的安全使用。綜上所述，該系統(tǒng)在使用過程中運行平穩(wěn)，整體控制過程精確，自動化程度較高，能夠很好地實現(xiàn)掘進設(shè)備的自動控制，該設(shè)備的研發(fā)具有很強的應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

該研究是在對掘進機工作過程中難以實現(xiàn)遠程控制井下設(shè)備的基礎(chǔ)上進行的，采用了先進的控制設(shè)備升級了原有的智能控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)掘進機的自動控制功能，為井下的安全生產(chǎn)提供了保障。該研究是結(jié)合了原有的掘進機控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進行了升級，并且對原有系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊進行了技術(shù)升級，最終通過實際案例對該系統(tǒng)在掘進機中的控制應(yīng)用進行測試，總體控制運行效果較好，并且能夠及時地將掘進設(shè)備的實時數(shù)據(jù)進行采集和反饋至控制平臺，在控制平臺處理后通過顯示界面展示，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的實時導(dǎo)航定位功能。通過此系統(tǒng)的設(shè)計，可以使掘進機設(shè)備在工作時提高了生產(chǎn)效率，同時也提高了生產(chǎn)時的操作安全性。