掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

毋堅(jiān)強(qiáng)

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

隨著礦井裝備機(jī)械化、自動化的快速發(fā)展，采掘設(shè)備也逐漸在各煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前各煤礦井下現(xiàn)場所采用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)大都采用工頻控制方式，需要現(xiàn)場人員根據(jù)井下煤巖地質(zhì)的不同進(jìn)行人工控制操作，由于現(xiàn)場人工操作的不確定性使得巷道成型效果不佳。因此，本文以智能和變頻控制為基礎(chǔ)對掘進(jìn)機(jī)截割自動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)作用于截割電機(jī)的載荷、煤巖變化情況來對截割電機(jī)參數(shù)進(jìn)行智能自動化實(shí)時調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的快速掘進(jìn)。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝

本文以各礦廣泛應(yīng)用的EBZ-200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象進(jìn)行截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，圖1為懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是按照巷道設(shè)計(jì)要求，根據(jù)既定截割路線，利用截割臂的移動和截割頭對煤巖體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)截割，直至達(dá)到所設(shè)計(jì)的巷道斷面。根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工藝特點(diǎn)，其自動化控制的主要對象應(yīng)為油缸移動與運(yùn)行參數(shù)，并具備自動截割作業(yè)、路線規(guī)劃、自適應(yīng)調(diào)速等特點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)總方案

為實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動截割，采用可編程控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對各模塊及其功能進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)截割頭姿態(tài)、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠(yuǎn)程通信以及可視化顯示等功能，控制系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)工作原理如下：通過A/D轉(zhuǎn)換器將懸臂式掘進(jìn)機(jī)油缸的位移、溫度、流量、電流等參數(shù)采集傳輸?shù)娇删幊炭刂破?，?jù)此分析截割頭位置和姿態(tài)，再利用CAN通訊將信息傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)。以巷道尺寸、斷面形狀、技術(shù)參數(shù)等信息為基礎(chǔ)，可編程控制器可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃截割路線、自適應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)速的功能。利用可編程控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的通訊功能，基于截割路線規(guī)劃和截割軌跡等信息，采用截割臂軌跡自動跟蹤算法來實(shí)時計(jì)算控制量，再利用D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出電流來對電液比例閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對截割頭的自適應(yīng)截割控制。

3 控制系統(tǒng)硬件

圖3為控制系統(tǒng)組成框圖。

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖

如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元、下位機(jī)等部分組成。利用檢測單元布置于懸臂式掘進(jìn)機(jī)上的各類傳感器獲取掘進(jìn)機(jī)相關(guān)截割信息參數(shù)，控制單元可對傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行儲存記錄，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割頭實(shí)時截割情況進(jìn)行分析，利用執(zhí)行單元來對掘進(jìn)機(jī)截割過程進(jìn)行自動控制。

控制系統(tǒng)硬件選型如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

4 控制系統(tǒng)軟件

通過貝加萊Automation Studio仿真軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，該仿真軟件具有C﹢﹢語言程序簡便、自動化組件高效、控制目標(biāo)多樣等特點(diǎn)，并且可以同時符合上位機(jī)與下位機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)要求。

4.1 控制基礎(chǔ)

依據(jù)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時截割頭的水平偏角和位移、縱向偏角和位移、后部偏角對其位置和姿態(tài)進(jìn)行分解，及時糾正掘進(jìn)機(jī)位置和姿態(tài)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動控制的基礎(chǔ)。在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道內(nèi)建立三維直角坐標(biāo)系，其中X軸正向?yàn)檠叵锏赖装遑Q直向上，Y軸方向?yàn)檠刂锏浪椒较?，Z軸正向?yàn)檠刂蜻M(jìn)機(jī)向前掘進(jìn)方向。

通過對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置與姿態(tài)進(jìn)行三向分解之后，根據(jù)所測量的掘進(jìn)機(jī)位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，對其位置與姿態(tài)進(jìn)行糾偏以達(dá)到保證掘進(jìn)機(jī)處于正確位置與姿態(tài)的目的。

4.2 自動截割控制

控制系統(tǒng)采用PID控制技術(shù)對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行自動截割控制，PID控制器具備線性控制、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于井下現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。首先對PID控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，PID控制器在輸入測量偏差數(shù)據(jù)之后，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，再利用通訊系統(tǒng)將處理結(jié)果作為輸出信號完成對掘進(jìn)機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)的控制，形成高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

自動截割控制PID控制器首先需要采集相關(guān)數(shù)據(jù)信號，分別將位移傳感器布置于截割臂、旋轉(zhuǎn)編碼器布置于回轉(zhuǎn)體中心，位移傳感器對截割臂的豎向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，旋轉(zhuǎn)編碼器對截割臂的水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。然后將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號與給定值進(jìn)行比較計(jì)算偏差，將偏差值輸入PID控制器再經(jīng)過其計(jì)算后，輸出相應(yīng)信號完成對掘進(jìn)機(jī)截割臂的控制動作，整個PID控制器與其他設(shè)備之間的通訊采用CAN總線的方式。圖4為掘進(jìn)機(jī)截割臂PID控制器工作流程示意圖。

圖4 掘進(jìn)機(jī)截割臂PID控制器工作流程示意圖

5 結(jié)語

本次懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以可編程控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元和下位機(jī)等，實(shí)現(xiàn)了截割頭姿態(tài)檢測、截割路線規(guī)劃、截割路徑跟蹤、遠(yuǎn)程通信以及可視化顯示等功能。在現(xiàn)場井下掘進(jìn)工作面的使用過程中，采用手動截割模式，現(xiàn)場粉塵較大、能見度較低，現(xiàn)場操作人員大部分時間僅能依靠經(jīng)驗(yàn)對截割臂的移動和截割頭的轉(zhuǎn)算進(jìn)行操作，斷面成型平均時間為22 min，現(xiàn)場作業(yè)效率低下，并且巷道斷面成型效果較差；而采用自動截割模式，巷道斷面成型效果較手動操作好，并且降低了工人的勞動強(qiáng)度，斷面成型平均時間為19 min，顯著改善了掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場工作效率。