懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)的設(shè)計分析

楊晨亮

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)， 山西 運城 043300）

引言

目前，由于礦井裝備的自動化與機械化速度加快，采掘設(shè)備被逐步廣泛應(yīng)用于各大煤礦中，其中懸臂式的掘進機被應(yīng)用較多，由于現(xiàn)場人員對其在實施操作控制時要按照井下不同的煤巖的地質(zhì)來實施，而且存在很多的不確定因素，導(dǎo)致開采作業(yè)時產(chǎn)生了許多問題。因此，設(shè)計了一種掘進機截割自動控制系統(tǒng)，通過變頻與智能控制，按照其變化的狀況實施自動化、智能化的調(diào)節(jié)截割電機的運行參數(shù)，促使掘進迅速、安全與穩(wěn)定的進行。

1 掘進機的構(gòu)成

在本文中設(shè)計截割控制系統(tǒng)采用的研究對象是EBZ-200 型懸臂式掘進機，其使用非常普遍，懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)示意圖

以巷道設(shè)計為基礎(chǔ)，懸臂式掘進機按照設(shè)計的截割途徑，截割煤巖體使用的是截割頭與截割臂的轉(zhuǎn)動與移動，一直到巷道斷面。按照懸臂式掘進機做工特征，懸臂式掘進機控制的對象主要是油缸的運行參數(shù)和移動，而且其特點是自適應(yīng)調(diào)速、路線規(guī)劃、自動截割作業(yè)等[1-2]。

2 控制系統(tǒng)的總體控制方案

為使懸臂式掘進機實現(xiàn)自動截割，以計算機與可編程控制器為基礎(chǔ)并結(jié)合懸臂式掘進機的主要結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)，提出了控制系統(tǒng)的總體控制方案，使以下功能得以實現(xiàn)，如可視化顯示、截割頭姿態(tài)、遠程通信、截割路徑跟蹤和截割路線規(guī)劃等，圖2 即為控制系統(tǒng)方案。

圖2 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)的運行流程為：懸臂式掘進機中的油缸的有關(guān)參數(shù)如電流、位移、流量、溫度等會被A/D轉(zhuǎn)換器采集并輸送給可編程控制器，根據(jù)其對截割頭的姿態(tài)與位置的分析，然后計算機接收CAN 通訊傳遞的信息[3]。根據(jù)技術(shù)參數(shù)、斷面的形狀、巷道的尺寸等信息，使可編程控制器的以下功能能夠?qū)崿F(xiàn)，如自適應(yīng)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與截割路線規(guī)劃。使用具有通訊功能的計算機與可編程控制器，在截割軌跡與規(guī)劃截割路線的基礎(chǔ)上，計算控制量的實現(xiàn)使用的方法是截割臂軌跡自動跟蹤算法，然后為了控制電液比例閥需要D/A 轉(zhuǎn)換器對電流進行輸出與控制，促進自適應(yīng)截割控制截割頭得以實現(xiàn)。

3 控制系統(tǒng)的硬件部分

控制系統(tǒng)組成框圖即為圖3。從圖3 中可知，下位機、檢測單元、執(zhí)行單元、控制單元等構(gòu)成了控制系統(tǒng)。把檢測單元安裝在懸臂式掘進機中，其能夠通過每種傳感器把有關(guān)掘進機截割的所有信息參數(shù)獲取到，控制單元能夠記錄與儲存所有被傳感器獲取的數(shù)據(jù)信號，分析掘進機截割頭工作時候的截割狀況，自動控制掘進機截割流程的是執(zhí)行單元。

圖3 控制系統(tǒng)組成原理圖

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

4 控制系統(tǒng)的軟件部分

設(shè)計控制系統(tǒng)使用的是貝加萊Automation Studio 仿真軟件，貝加萊Automation Studio 仿真軟件有以下特點：多樣的控制目標(biāo)、簡便的C++語言程序、高效的自動化組件[4]，而且開發(fā)上、下位機系統(tǒng)的條件都符合。

4.1 控制的基本

按照掘進機截割頭不同角度與位移分解對應(yīng)的姿態(tài)和位置，掘進機自動控制得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)是把掘進機的姿態(tài)與位置進行盡快更正。把三維直角坐標(biāo)系建立在掘進機需要掘進的巷道中，在坐標(biāo)系中，與巷道底板垂直向上的用X 軸表示，為其正向，與巷道的水平方向相同的用Y 軸表示，為其正向，與掘進機掘進方向相同的用Z 軸表示，并為其正向。

在三向分解掘進機的機身的姿態(tài)和位置以后，依據(jù)對其姿態(tài)和位置進行測量之后得到的數(shù)據(jù)，更正其姿態(tài)和位置，進而確保掘進機的姿態(tài)與位置始終都是正確的。

4.2 自動截割控制

PID 控制技術(shù)被控制系統(tǒng)用于自動截割控制掘進機，PID 控制技術(shù)有以下優(yōu)點，如運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、線性控制等，而且在井下現(xiàn)場操作的環(huán)境下也可以使用。起初，把PID 控制器的參數(shù)進行設(shè)置，并把測量出來的偏差數(shù)據(jù)輸入到PID 控制器，能夠判斷與分析數(shù)據(jù)，然后處理結(jié)果被通訊系統(tǒng)當(dāng)做輸出信號，進而實現(xiàn)控制與掘進機有關(guān)的機構(gòu)，促進閉環(huán)控制系統(tǒng)的形成[5]。

把與自動截割控制有關(guān)的數(shù)據(jù)進行采集是PID控制器第一步要做的，并把回轉(zhuǎn)體中心安裝在旋轉(zhuǎn)編碼器，把截割臂安裝在位移傳感器，采集截割臂縱向的位移數(shù)據(jù)的是位移傳感器，采集截割臂橫向的位移數(shù)據(jù)的是旋轉(zhuǎn)編碼器。在計算與比較被傳感器收集的給定值和數(shù)據(jù)信號的偏差，并讓PID 控制器接收與計算偏差值，計算完成后并把相對應(yīng)的信號輸出來，實現(xiàn)控制掘進機截割臂的動作，使CAN 總線成為連接整體的PID 控制器和別的設(shè)備的紐帶。掘進機截割臂PID 控制器工作流程示意圖如圖4 所示。

圖4 掘進機截割臂PID 控制器工作流程示意圖

5 結(jié)語

懸臂式掘進機自動截割控制系統(tǒng)是基于計算機與可編程控制器，下位機、檢測單元、執(zhí)行單元、控制單元構(gòu)成了整個控制系統(tǒng)，使以下功能得以實現(xiàn)：可視化顯示、檢測截割頭姿態(tài)、跟蹤截割路徑、規(guī)劃截割路線等。井下掘進工作面應(yīng)用的模式是手動截割模式，其缺點粉塵污染較大、能見度比較低，現(xiàn)場操作人員在操作移動截割臂與轉(zhuǎn)算截割頭動作時只能根據(jù)經(jīng)驗來操作，斷面成型的時間平均是22 min，作業(yè)效率較低，造成比較差的巷道斷面成型效果；但自動截割模式與手動截割模式相比，自動截割模式的巷道斷面成型效果好，形成的時間只有19 min，減輕了掘進作業(yè)人員勞動強度，提高了掘進作業(yè)效率。