淺談掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能采礦系統(tǒng)設(shè)備單元

黃海飛

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著國家大力推進(jìn)煤礦生產(chǎn)的少人化、無人化，并逐步加快建設(shè)數(shù)字化、智能化、信息化、自動(dòng)化礦山的步伐，煤礦井下綜采設(shè)備的自動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)過近年來的發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了少人化，甚至一些高產(chǎn)高效的礦井已經(jīng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了無人化。但由于綜掘設(shè)備的掘進(jìn)工藝和設(shè)備開采特點(diǎn)，煤礦井下綜掘設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展比較滯后，一些關(guān)鍵的技術(shù)尚未突破，制約著自動(dòng)化技術(shù)在綜掘設(shè)備上的使用。隨著自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，綜掘設(shè)備掘進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化將會(huì)逐步在各個(gè)礦井落地生根[1]。其中懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一種廣泛使用的采掘設(shè)備占有極其重要的地位，在掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測已有長足發(fā)展，為保障礦井安全生產(chǎn)以及降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度做出重要貢獻(xiàn)。本文對目前國內(nèi)普遍采用的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測技術(shù)的主要功能進(jìn)行了介紹，著重對系統(tǒng)中的車載單元的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，并在煤礦井下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)穩(wěn)定可靠，具有市場推廣前景。

1 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制功能

隨著國家“863”項(xiàng)目“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)”研制的成功，國內(nèi)各大型煤礦企業(yè)逐步開始使用具備遠(yuǎn)程控制及監(jiān)測系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)，遠(yuǎn)程智能系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)上的使用，部分解決了傳統(tǒng)井下掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，安全隱患問題[2]。掘進(jìn)機(jī)操作自動(dòng)化水平較低，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)手動(dòng)操作并根據(jù)感覺定位和定向，截割斷面超挖和欠挖現(xiàn)象頻發(fā)，截割形狀質(zhì)量較差；截割臂擺速手動(dòng)控制，導(dǎo)致截割電機(jī)使用壽命降低；掘進(jìn)機(jī)始終未能解決自身定位和自動(dòng)定向的問題等弊端，目前國內(nèi)大型煤礦對遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測使用的典型方式如圖1所示。

圖1中，控制信號(hào)、傳感器和視頻信號(hào)通過數(shù)據(jù)匯集器傳輸給車載無線基站，無線基站以4G的形式傳輸給距離設(shè)備100 m以內(nèi)巷道中的無線基站，并通過光纖交換機(jī)傳輸給遠(yuǎn)處的操作臺(tái)，其主要的功能如下：

1.1 無線遠(yuǎn)程遙控

操作人員可位于地面或者井下監(jiān)控中心，通過智能遙控平臺(tái)，利用無線網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場設(shè)備上的車載控制單元及多路紅外高清攝像頭，監(jiān)視井下掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程工作。

1.2 掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)的智能化，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)，簡稱位姿。掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)主要包括：機(jī)身水平偏角、俯仰角、橫滾角、水平偏距和車前距。

1.3 斷面自動(dòng)截割

通過數(shù)學(xué)模型結(jié)合多種傳感器的使用，由計(jì)算機(jī)對掘進(jìn)機(jī)截割臂的回轉(zhuǎn)與升降液壓缸進(jìn)行控制，自動(dòng)截割出規(guī)整斷面。

1.4 截割臂自適應(yīng)控制

以掘進(jìn)機(jī)電氣控制設(shè)備的電流過載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，通過檢測截割臂驅(qū)動(dòng)油缸伸縮長度及其伸縮變化率、截割電機(jī)電流值及其電流變化率等多種參數(shù)，對自動(dòng)截割過程中遇到的不同工況進(jìn)行邏輯識(shí)別，自適應(yīng)控制截割臂擺速及方向。

1.5 視頻監(jiān)測

利用掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上安裝的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)采集工作現(xiàn)場關(guān)鍵視角的視頻圖像信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心。

1.6 工況監(jiān)測

掘進(jìn)機(jī)安裝電壓、電流、溫度、壓力、流量等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)，為遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)提供機(jī)車基礎(chǔ)工作數(shù)據(jù)。

2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程機(jī)載控制設(shè)計(jì)

機(jī)載設(shè)備單元包括車身安裝的傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、遙控控制單元、網(wǎng)絡(luò)通信單元、位姿檢測單元、斷面自動(dòng)截割單元、截割部負(fù)載自適應(yīng)單元、視頻采集單元、液壓系統(tǒng)單元和電氣系統(tǒng)單元等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、調(diào)整和運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)截割，自動(dòng)檢測監(jiān)測，自動(dòng)預(yù)警和控制等功能。

2.1 掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測

要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)斷面自動(dòng)截割成形控制，首先要進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)空間位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在煤礦作業(yè)環(huán)境中，大多數(shù)的巷道掘進(jìn)施工均采用人工的方式，即人工操縱掘進(jìn)設(shè)備，時(shí)刻觀察掘進(jìn)方向與激光指向儀的方向是否保持一致。這種施工模式無法發(fā)揮出掘進(jìn)設(shè)備的最大功效。

為了獲取掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的絕對位姿參數(shù)，系統(tǒng)采用二維激光標(biāo)靶結(jié)合機(jī)身多傳感器數(shù)據(jù)融合的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿檢測方法。既充分利用激光標(biāo)靶的絕對位置校準(zhǔn)，又利用了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝的多傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，聯(lián)合工作，解決了高清攝像頭無法清晰觀測截割頭具體位置的缺陷[3]。

多傳感器融合定位單元主要用于獲取掘進(jìn)機(jī)截割滾筒位置，從而為智能巷道截割控制技術(shù)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。掘進(jìn)機(jī)截割滾筒位置傳感器主要包括位移傳感器，包括安裝于垂直升降油缸、截割伸縮油缸、鏟板油缸、回轉(zhuǎn)油缸的直線傳感器，它們實(shí)時(shí)完成各個(gè)油缸在全行程上的位置檢測，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，換算成截割頭在掘進(jìn)斷面上的位置信息。掘進(jìn)進(jìn)尺檢測傳感器，包括安裝在行進(jìn)輪上方向判斷及累計(jì)進(jìn)尺的位置脈沖傳感器。

2.2 斷面自動(dòng)截割

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任意斷面自動(dòng)截割成形系統(tǒng)包括兩個(gè)功能，即自動(dòng)截割成形和自動(dòng)刷幫，前者控制掘進(jìn)機(jī)截割臂按照設(shè)定路徑和步距自動(dòng)完成斷面截割，而后者可進(jìn)一步提高兩幫的截割控制精度以及修整斷面形狀。

對于常見的矩形巷道斷面，可以根據(jù)遠(yuǎn)程遙控中心上位機(jī)輸入的斷面寬、高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算特征點(diǎn)，從而可以控制截割頭作業(yè)運(yùn)動(dòng)曲線。根據(jù)截割頭形式、截割功率及轉(zhuǎn)速，考慮煤層的硬度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度，結(jié)合支護(hù)的要求，設(shè)計(jì)合理的截割路線，本系統(tǒng)可以提供多套截割路線。以截割工藝路徑為自下向上類 S 型自動(dòng)截割為例，如圖2所示。

圖2 矩形斷面自動(dòng)截割成形控制策略

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)截割成形控制策略，首先控制截割頭回到巷道右下角，可以將此位置設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)，隨后，截割頭按照預(yù)設(shè) S 路線運(yùn)行，并實(shí)時(shí)比較路線規(guī)劃中的坐標(biāo)點(diǎn)，最終運(yùn)行到預(yù)設(shè)路線的結(jié)束位置。在截割完成后，回轉(zhuǎn)和升降液壓缸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，使截割頭回到起始點(diǎn)。

2.3 擺速自適應(yīng)控制單元

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割巷道斷面是由截割頭旋轉(zhuǎn)與截割臂擺動(dòng)共同動(dòng)作來完成斷面煤巖的截割，截割臂擺速的改變是通過工人手動(dòng)操控截割部水平和垂直油缸的伸縮速度得以實(shí)現(xiàn)的。在截割過程中，當(dāng)煤巖硬度急劇變化(如遇到夾矸)時(shí)，因截割電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能改變，若不能迅速調(diào)整截割臂擺速，則極易造成截齒損壞，截割電動(dòng)機(jī)電流也會(huì)大幅過載而出現(xiàn)停機(jī)甚至電動(dòng)機(jī)損壞情況。在遇到體積比較大的夾矸的情況下，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，機(jī)身位姿產(chǎn)生較大誤差，掘進(jìn)斷面會(huì)產(chǎn)生較大偏移。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)采用人工方式時(shí)，司機(jī)能憑借經(jīng)驗(yàn)，通過操作手柄來控制截割臂擺速，載荷較小時(shí)，提高截割臂擺速；反之，當(dāng)遇到夾矸載荷較大時(shí)，減小截割臂擺速，從而使截割電動(dòng)機(jī)始終處于滿載狀態(tài)，以此提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，掘進(jìn)機(jī)采用遠(yuǎn)程遙控或者自動(dòng)截割工作模式，無法通過感覺和經(jīng)驗(yàn)控制截割臂擺速，因此需要設(shè)計(jì)專用的截割臂擺速控制算法。為提出截割臂擺速自動(dòng)控制方法，必須分析截割臂擺速v、截割電動(dòng)機(jī)電流I與煤巖硬度f之間的關(guān)系。截割頭依靠其上面的截齒。對煤巖施加截割作用力，因此，截割頭受力即為所有截齒受力的矢量和。每一個(gè)截齒在截割巖石的過程中都會(huì)受到與截割頭相切的截割阻力和指向截割頭軸心的進(jìn)給阻力的影響。通過分析截割頭的總阻力，依據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系可得截割頭外部載荷所需的截割功率，從而可以獲得截割臂擺速v、截割電動(dòng)機(jī)電流I與煤巖硬度f之間的關(guān)系。截割臂擺速v、截割電動(dòng)機(jī)電流I與煤巖硬度f之間的關(guān)系[4]。

2.4 數(shù)據(jù)采集單元

主要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)和控制位姿的數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)(電氣、液壓水路、機(jī)械傳動(dòng)和環(huán)境)以及掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)位置監(jiān)測傳感器，獲得掘進(jìn)機(jī)自主控制所需要的參數(shù)，并通過 CAN 總線或485 總線將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄蜻M(jìn)機(jī)車載中央控制單元。本系統(tǒng)采用ARM 9 訂制設(shè)計(jì)的專用處理平臺(tái)，接口豐富、運(yùn)算處理速度快、穩(wěn)定性高、功耗低。

2.5 遙控控制單元

遙控控制單元主要包括中央控制處理單元和執(zhí)行輸出控制單元。中央控制處理單元主要用于接收數(shù)據(jù)采集單元采集到的多傳感器融合數(shù)據(jù)，并經(jīng)過中央控制器計(jì)算處理，獲得各種輸出控制指令信息；執(zhí)行輸出控制單元通過 CAN 總線獲取中央控制處理單元發(fā)送的控制指令，輸出各路控制信號(hào)，主要包括：數(shù)字開關(guān)量、數(shù)字模擬量和PWM 信號(hào)，用于掘進(jìn)機(jī)的各種動(dòng)作控制。

2.6 音視頻采集單元

掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵位置分別安裝高清防爆網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用于遠(yuǎn)程監(jiān)視工作環(huán)境，攝像頭具有防塵處理，其視頻數(shù)據(jù)直接通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

具體安裝位置包括截割臂和鏟板左右兩側(cè)的 4 臺(tái)有線礦用隔爆型網(wǎng)絡(luò)攝像儀和機(jī)身上側(cè)用于觀察一運(yùn)和二運(yùn)狀態(tài)的 2 臺(tái)有線礦用隔爆型網(wǎng)絡(luò)攝像儀，共計(jì) 6臺(tái)。除視頻顯示之外在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝防爆型拾音器，用于獲取現(xiàn)場掘進(jìn)機(jī)的工作聲音，通過以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。

音視頻采集單元(Audio Pickup Unit)主要用于對現(xiàn)場環(huán)境聲音的采集、壓縮和傳輸，從而可以在遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場聲音，有利于司機(jī)辨別車輛油門、車輛發(fā)送機(jī)聲音。

2.7 液壓系統(tǒng)單元

為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程遙控控制，需要在掘進(jìn)機(jī)上加裝電磁閥。在本系統(tǒng)使用的電磁閥主要包括比例電磁閥和開關(guān)電磁閥，具體安裝位置和使用型號(hào)根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)型進(jìn)行選擇。

2.8 電氣系統(tǒng)單元

電氣系統(tǒng)單元主要完成兩個(gè)功能：接入掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)有電控系統(tǒng)，獲取相關(guān)工作參數(shù)和控制接口，為本系統(tǒng)構(gòu)建提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；提供本系統(tǒng)相關(guān)電源電壓。掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)輸入電壓 AC 1 140 V，而本控制系統(tǒng)需要包括傳感器、控制器等各種電壓等級(jí)，需要將輸入AC 1 140 V 轉(zhuǎn)換為 DC 12 V，DC24 V 等，或者從掘進(jìn)機(jī)原電控箱內(nèi)接出所需要的電壓。

3 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)礦區(qū)的煤礦井下進(jìn)行了試驗(yàn)，建立了掘進(jìn)機(jī)車載自動(dòng)控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的無線通訊連接，依靠視覺延伸和智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)遠(yuǎn)程控制。實(shí)踐表明：掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能滿足掘進(jìn)時(shí)無人、支護(hù)有人的開采工藝，不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，而且增加了掘進(jìn)機(jī)開采的完全性。