煤礦掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳 波

（臨汾市煤炭設(shè)計(jì)院有限公司，山西 臨汾 041000）

巷道掘進(jìn)是煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。煤炭開(kāi)采中巷道掘進(jìn)工程量大、掘進(jìn)工作面安全事故發(fā)生頻率高，從業(yè)人員較多。經(jīng)查資料，掘進(jìn)工作面事故數(shù)量在全國(guó)同等級(jí)事故中的占比相對(duì)較高。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，巷道掘進(jìn)機(jī)械化程度得到了大幅提升，但自動(dòng)化、智能化程度偏低。相對(duì)于綜采工作面智能化開(kāi)采技術(shù)裝備的快速發(fā)展，掘進(jìn)工作面智能化技術(shù)進(jìn)展較慢。目前煤礦井下掘進(jìn)工作面裝備多為單機(jī)人工操作，不能與工作面的其他裝備實(shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展，無(wú)法充分發(fā)揮掘進(jìn)裝備的性能和提高掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)效率，煤炭企業(yè)當(dāng)前一直圍繞巷道掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，追求由機(jī)械化、自動(dòng)化到智能化，由多人，少人到無(wú)人的目標(biāo)。礦用掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，采用更加先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)對(duì)其作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行升級(jí)改造，成為當(dāng)前的研究方向。

為此，在分析現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，已取得了良好的應(yīng)用效果。大大提高了設(shè)備的作業(yè)效率及安全，具有較大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，在礦用掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，已對(duì)掘進(jìn)機(jī)各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行了的控制，對(duì)設(shè)備運(yùn)行故障診斷等方面做了不少工作。但由于井下工況的復(fù)雜性，現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)尚不能滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：

1）現(xiàn)有控制系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的單片機(jī)進(jìn)行控制，極少采用PLC控制器進(jìn)行控制，在控制邏輯方面存在計(jì)算速度低，處理能力弱問(wèn)題。

2）當(dāng)前所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)CPU整體處理及邏輯運(yùn)算能力較差，針對(duì)井下復(fù)雜環(huán)境，無(wú)法對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)的各種姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控。

3）現(xiàn)有系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息相對(duì)較少，僅能對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集判斷，針對(duì)設(shè)備出現(xiàn)電機(jī)燒壞、作業(yè)溫度異常等現(xiàn)象時(shí)，控制系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確地發(fā)出相應(yīng)報(bào)警提示。

4）控制系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)法快速進(jìn)行傳輸，所匹配的顯示界面功能較為單一。且控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備作業(yè)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊能力較差。

綜上分析，采用更加先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行智能化控制，成為提高設(shè)備作業(yè)效率及安全性的重要任務(wù)。

2 遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升掘進(jìn)機(jī)在工作面中的工作效率，開(kāi)展了煤礦掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)是整個(gè)智能化掘進(jìn)工作面建設(shè)的重要組成部分，其系統(tǒng)包括井下遠(yuǎn)程集控中心、地面遠(yuǎn)程集控中心、數(shù)據(jù)采集模塊、導(dǎo)航定位子系統(tǒng)、設(shè)備集控聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)等部分，其系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。其中，地面遠(yuǎn)程集控中心包括操作面板、顯示器、計(jì)算機(jī)主機(jī)、工業(yè)交換機(jī)等部件組成。它能夠根據(jù)采集相關(guān)設(shè)備信息進(jìn)行掘進(jìn)工作面場(chǎng)景再現(xiàn)，集控平臺(tái)具備對(duì)巷道掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停及智能操控。井下遠(yuǎn)程集控中心則包括集控倉(cāng)、四屏顯示器、防爆主機(jī)、防爆硬盤刻錄機(jī)、掘進(jìn)機(jī)操控臺(tái)、鍵盤、鼠標(biāo)、專業(yè)軟件等。整套集控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊則利用計(jì)算機(jī)對(duì)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)截割系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)配套帶式輸送機(jī)、排水、通風(fēng)、供電設(shè)備數(shù)據(jù)采集，建設(shè)以實(shí)現(xiàn)井下集控，地面遠(yuǎn)控為目標(biāo)，自動(dòng)分析、智能處理的安全、高效、節(jié)能、少人化的智能綜掘工作面，并與玉溪煤礦管控平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能。

圖1 煤礦掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)總體框架

另外，所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程通訊子系統(tǒng)采用成熟的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，集成了掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)、車載高清攝像儀、語(yǔ)音對(duì)講設(shè)備、安全防護(hù)傳感器、遙控收發(fā)裝置、井下集控中心等多方面內(nèi)容，利用礦方5G系統(tǒng)，通過(guò)井下集控中心的千兆交換機(jī)接入井下萬(wàn)兆環(huán)網(wǎng)傳輸至地面，也可通過(guò)地面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該子系統(tǒng)的操作模式相互鎖定，現(xiàn)場(chǎng)操作為最高優(yōu)先級(jí)，保證各種操作模式下的安全性。

3 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)中關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)航定位子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)智能化的核心關(guān)鍵技術(shù)，核心由掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)和截割頭定位技術(shù)組成，整個(gè)子系統(tǒng)具體包括激光物位儀、CPU、GPU、激光陀螺慣性導(dǎo)航、激光陀螺、加速器等部件。掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)采用三維激光掃描儀與激光陀螺慣性導(dǎo)航融合技術(shù)。其中，三維激光掃描儀通過(guò)內(nèi)置的激光雷達(dá)掃描預(yù)定的相關(guān)標(biāo)靶，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送至GPU圖像處理器進(jìn)行模型構(gòu)建及計(jì)算，其三維掃描如圖2所示。同時(shí)，車身位置信息結(jié)合截割臂升降、回轉(zhuǎn)、伸縮油缸位移傳感器通過(guò)車載控制器進(jìn)行截割頭相對(duì)于巷道的位置信息。截割頭位置信息是斷面自動(dòng)截割成型的重要數(shù)據(jù)信息。導(dǎo)航定位子系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

圖2 三維掃描儀檢測(cè)

圖3 導(dǎo)航定位子系統(tǒng)總體框架

3.2 負(fù)載自適應(yīng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)

井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巖石硬度和節(jié)理發(fā)育狀況在不同區(qū)間和斷面的不同位置處皆不相同，掘進(jìn)機(jī)的截割速度必須根據(jù)地層的不同情況實(shí)時(shí)調(diào)整，否則速度不匹配會(huì)出現(xiàn)效率降低和機(jī)器振動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象，因此，需對(duì)掘進(jìn)機(jī)的負(fù)載進(jìn)行自適應(yīng)控制研究。

掘進(jìn)機(jī)中截割升降油缸或截割回轉(zhuǎn)油缸壓力過(guò)大或過(guò)小、截割電機(jī)電流過(guò)大、機(jī)身航向角變動(dòng)頻繁這些數(shù)據(jù)的變化均能體現(xiàn)出速度與工況不匹配，這些參數(shù)統(tǒng)一作為負(fù)載自適應(yīng)控制技術(shù)的輸入，PLC通過(guò)計(jì)算比較這些參數(shù)之間的關(guān)系得到負(fù)載匹配率η，根據(jù)η合理調(diào)整目標(biāo)方向的截割升降油缸電磁閥和截割回轉(zhuǎn)電磁閥的控制電流，使設(shè)備能夠平穩(wěn)運(yùn)行，減少機(jī)器因超負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)的強(qiáng)烈震動(dòng)，提高截割效率。掘進(jìn)機(jī)負(fù)載自適應(yīng)控制邏輯如圖4所示。

3.3 姿態(tài)自調(diào)整及防撞技術(shù)研究

掘進(jìn)機(jī)施工作業(yè)過(guò)程中，一方面受截割巖石的反作用力影響，機(jī)器位置會(huì)發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)偏移量過(guò)大時(shí)將影響自動(dòng)截割的作業(yè)范圍，無(wú)法完成預(yù)設(shè)斷面的成形，此情形稱為情形A。另一方面由于機(jī)器固定位置截割時(shí)成形形狀為球形，為提高整體成形的平整度，必須使機(jī)器進(jìn)行前進(jìn)和后退方向調(diào)整來(lái)保證截割頭擺動(dòng)過(guò)程中進(jìn)尺深度的一致，此情形稱為情形B?？刂破鲗?shí)時(shí)計(jì)算車身四個(gè)角的坐標(biāo)信息，判斷距離巷道側(cè)幫的距離信息，當(dāng)距離低于閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，此情形稱為情形C。

三種情形均觸發(fā)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)自調(diào)整策略，機(jī)器行走方式為履帶式，經(jīng)過(guò)分析履帶式行走的特性，決定在姿態(tài)自調(diào)整控制中采用雙側(cè)履帶行走速度的絕對(duì)值保持相等的方式以保證模型的準(zhǔn)確性。

3.4 危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別技術(shù)分析

為提高危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域人員的保護(hù)力度，當(dāng)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)能及時(shí)進(jìn)行快速識(shí)別，設(shè)計(jì)了一種危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)采用在掘進(jìn)機(jī)車身上加裝熱釋紅外傳感器、精準(zhǔn)定位等模式，對(duì)進(jìn)入探測(cè)范圍內(nèi)的人員進(jìn)行感應(yīng)感知，對(duì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域人員近感探測(cè)，開(kāi)機(jī)前及運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)到人員時(shí)，5 m范圍內(nèi)進(jìn)行停機(jī)，聲光報(bào)警器報(bào)警；同時(shí)，將誤闖信息傳遞至監(jiān)控平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警。

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)中控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在掘進(jìn)機(jī)中進(jìn)行了集成應(yīng)用測(cè)試，主要測(cè)試該系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的綜合控制能力。在玉溪煤礦應(yīng)用過(guò)程中，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能通過(guò)內(nèi)部的采集模塊對(duì)掘進(jìn)機(jī)的各種作業(yè)姿態(tài)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及信號(hào)傳輸，并將采集信號(hào)傳輸至顯示界面中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行模型構(gòu)建，并將設(shè)備的舉升、回轉(zhuǎn)及伸縮油缸等姿態(tài)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)建立，作業(yè)人員可通過(guò)將數(shù)據(jù)繪制成變化曲線對(duì)設(shè)備各部件的使用壽命進(jìn)行判斷和分析，以此有效保證設(shè)備能正常工作?？刂葡到y(tǒng)的顯示界面如圖5所示。該控制系統(tǒng)經(jīng)專業(yè)人員評(píng)估，整體性能穩(wěn)定，智能化程度較高，能更好地滿足掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制界面

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)無(wú)法滿足設(shè)備在復(fù)雜井下作業(yè)需求問(wèn)題，采用當(dāng)前更加先進(jìn)的控制技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能化控制系統(tǒng)研究，提高設(shè)備的作業(yè)安全性是當(dāng)前的必然發(fā)展方向。為此，在分析當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，開(kāi)展了掘進(jìn)機(jī)中遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)及研究，并對(duì)該系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)將該控制系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試得出，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能更加全面、準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及分析處理，并通智能化顯示界面進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位需求，達(dá)到了預(yù)期效果。此系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的高效、安全作業(yè)提供了重要保障作用。