懸臂式掘進機智能截割控制系統(tǒng)研究與設計

曹瑞

摘 要：為了提升懸臂式掘進機的掘進精度、以及對不同煤巖體智能識別截割，對懸臂式掘進機的控制系統(tǒng)進行智能化控制系統(tǒng)改造，提出掘進機智能控制系統(tǒng)的控制策略，并主要智能控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)進行設計，實踐表明，智能控制系統(tǒng)的可靠性高、自適性好，能夠?qū)Σ煌捕让簬r體進行識別和截割。

關鍵詞：懸臂式掘進機;智能截割;控制系統(tǒng);煤巖體識別

掘進機作為礦井巷道采掘的重要設備，由于礦井地質(zhì)條件復雜，采用人工控制掘進機截割臂擺動速度來進行煤體截割，當設備電機負載較大時易發(fā)生故障影響設備的使用壽命。為實現(xiàn)對煤巖體的智能識別截割，提高其自適應性，本文設計提出旋臂掘進機智能截割控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程操控，根據(jù)電機負載情況智能調(diào)整掘進機的截割頭轉(zhuǎn)速，同時還可識別煤巖體的硬度進行智能截割，滿足復雜的截割工況。

1 懸臂式掘進機智能截割控制系統(tǒng)的設計策略

傳統(tǒng)的懸臂式掘進機控制系統(tǒng)主要截割電機來驅(qū)動掘進機懸臂，智能截割控制系統(tǒng)主要的實現(xiàn)依賴于掘進機機身姿態(tài)與位置檢測、掘進機截割頭姿態(tài)測量、煤巖動態(tài)感知、掘進機的斷面自動成形控制和遠程監(jiān)控等功能的實現(xiàn)。

掘進機機身姿態(tài)與位置檢測是巷道成形的重要保證。為了保證掘進巷道滿足設計需求，必須保證實時了解掘進機的位置及截割狀態(tài)，智能控制系統(tǒng)中采用捷聯(lián)式慣導和地磁融合的方式實現(xiàn)機身位置及姿態(tài)的測量。當掘進機機身和截割頭都處于正確姿態(tài)時才可保證巷道的準確成形，截割頭由掘進機的水平液壓缸和垂直液壓缸控制，為了實現(xiàn)實時監(jiān)測截割頭位置的目的，采用用磁致伸縮式位移傳感器進行準確測量，同時借助傾角儀對角度進行測量，通過對采集數(shù)據(jù)進行計算，調(diào)整截割頭的姿態(tài)，提升適應性。

在掘進機截割的過程中，對煤巖進行動態(tài)感知識別是重要的環(huán)節(jié)，當前，大部分礦井根據(jù)截割工藝進行煤巖的識別，這種方法會導致電機電壓、電流以及電機速度的變化，本文中利用多個傳感器對煤巖感知進行測量，結(jié)果準確且對截割電機影響較小。掘進機斷面成形的控制依賴于掘進機機身的位置，當掘進機機身以及截割頭都處于正確位置時，巷道斷面的成形滿足設計要求。在井下惡劣的環(huán)境下，懸臂式掘進機往往會發(fā)生一定程度的偏移，當機身偏移量較小或位姿合適時，則可直接運行斷面自動成形程序，當機身偏移量較大時，則需要人為干涉調(diào)整機身位置，進而運行斷面自動成形程序。斷面成形程序的運行依賴于截割控制，截割頭運行的速度通過較強的控制器實現(xiàn)，實現(xiàn)信息反饋。

懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)由遠程監(jiān)測、遠程控制構(gòu)成。遠程監(jiān)控指的是通過數(shù)據(jù)傳感器等設施實現(xiàn)對懸臂式掘進機運行狀態(tài)的監(jiān)測，通過控制器采集以及數(shù)據(jù)庫訪問等存儲在計算機中，根據(jù)遠程監(jiān)控的實現(xiàn)，構(gòu)建可控程序，操作人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)在操作界面進行調(diào)控，設備根據(jù)指令進行相應的動作，實現(xiàn)了掘進機的遠程操控。

2 掘進機智能截割控制系統(tǒng)設計

2.1 智能截割控制系統(tǒng)的硬件設計

懸臂掘進機智能截割控制系統(tǒng)的硬件設計，為保證系統(tǒng)運行的可靠性，應提升其抗干擾性。結(jié)合掘進機的運行工況，當掘進機的振動頻率>30MHz，易造成系統(tǒng)的信號失真;當設備振動頻率>60MHz，系統(tǒng)振動信號處于失真狀態(tài)，為消除系統(tǒng)的信號失真，提升抗干擾性。將掘進機智能控制系統(tǒng)的運行工率調(diào)整為75MHz，達到抗干擾性。

掘進機智能控制系統(tǒng)硬件的抗干擾，設計應結(jié)合掘機機的實際工況，振動信號通常是高頻與低頻結(jié)合，系統(tǒng)中利用高通和低通實現(xiàn)對高頻以及低頻的過濾;并將系統(tǒng)的敏感元件隔離保護，遠離干擾設備的影響;對于電容關鍵部位及時去耦，保證元器件接地;為了加強電路的抗干擾性，將光電隔離芯片加在I/O口間;對于功率較大的器件，應該保證及時接地，且與具有干擾性的電路板之間有一定的距離;為了防止電路之間的干擾作用，保證線路之間的傳輸方向一致;在總線上加入10K的電阻，增強通信接口的抗干擾性;同時，為保證電路模塊的及時接地，電路線的直徑盡量大于1mm;當元器件對溫度較為敏感時，應該及時進行的散熱處理，發(fā)熱元件之間保證一定的距離，維持模塊的正常工作。掘進機智能截割系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

2.2 智能截割控制系統(tǒng)的軟件設計

對于截割部的控制，主要通過傳感器對設備信號進行采集，經(jīng)過DSP處理和解算后，實現(xiàn)對截割部的控制，當截割部和掘進機機身都處于正確位置時，進行誤差補償操作，進入斷面截割控制。本文主要探討機身以及截割頭調(diào)整好后巷道的截割控制。當懸臂式掘進機運行時，通過傳感器檢測到截割頭的運行參數(shù)，如運行速度、油缸壓力以及截割臂的實際空間角度，通過計算得到截割頭在巷道中的位置，進而反算出回旋、升降油缸對應位移，通過理論計算得到截割臂的空間角度，將理論值和實際測量值進行實時比較，進而得到符合標準的斷面形狀。

掘進機開始運轉(zhuǎn)，會結(jié)合斷面形狀、設置基本參數(shù)，調(diào)整截割壁初始化位置，隨后調(diào)用斷面自動成形控制子程序，控制液壓缸升降、回轉(zhuǎn)進行截割電機作業(yè)，然后調(diào)用掘進頭空間位置子程序，判斷掘進頭是否達到終點，如果掘進頭達到終點，則結(jié)束程序，如果掘進頭沒有達到終點，則重新調(diào)用斷面自動成形控制子程序，進行截割作業(yè)。

上位機是軟件系統(tǒng)的設計重點，上機位基于Microsoft Visual Studio實現(xiàn)，采用模塊化思想實現(xiàn)對懸臂掘進機運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的檢測顯示，利用1個輔助線程實現(xiàn)通信功能，2個輔助線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的更新功能，隨后通過TCP協(xié)議，實現(xiàn)對懸臂掘進機的遠程操控。

3 智能截割控制系統(tǒng)的驗證分析

為驗證掘進機的運行穩(wěn)定性，對智能截割控制系統(tǒng)進行驗證。實際應用中主要觀察截割頭的空間位置。借助SQLyog軟件對懸臂式掘進機運行狀態(tài)進行提取，通過MATLAB處理數(shù)據(jù)，得到在運行過程中截割臂的角度值均小于0.78°，滿足安全高效掘進要求，對截割頭實際坐標點進行計算并與理論值進行比較，得到圖2所示的結(jié)果，從圖中可以看出，截割頭實際坐標點與理論坐標點基本吻合，證明了智能控制系統(tǒng)的精確性。在運行過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有良好的運行效果。

4 結(jié)論

本文針對懸臂式掘進機控制精度差，巷道超挖欠挖現(xiàn)象嚴重的問題，設計了懸臂式掘進機智能控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了智能系統(tǒng)的自適應控制，通過實際應用，證明了智能控制系統(tǒng)在實時監(jiān)測、自動截割等方面的良好特性，實現(xiàn)懸臂掘進機的智能截割控制，并取得了一定的實效，具有借鑒和指導意義。