懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝友賓

(西山煤電集團(tuán)公司 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦井下巷道成形作業(yè)的主要設(shè)備，提高其控制精度及自動(dòng)化水平是保障巷道成型質(zhì)量、降低掘進(jìn)成本的關(guān)鍵[1-3]。因此掘進(jìn)設(shè)備的智能控制技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外的研究焦點(diǎn)[4]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能控制技術(shù)主要包含掘進(jìn)機(jī)位姿自動(dòng)檢測(cè)、機(jī)身定位、巷道截面成形和遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面，其主要目的是將自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用至掘進(jìn)機(jī)截割部運(yùn)動(dòng)控制中[5]。目前國(guó)外針對(duì)掘進(jìn)機(jī)無(wú)人值守及相應(yīng)自動(dòng)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究相對(duì)成熟，受技術(shù)封鎖及進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴等因素影響，國(guó)內(nèi)大部分煤礦仍采用傳統(tǒng)的人工控制方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜掘工作面的智能化控制。

掘進(jìn)機(jī)的人工控制主要依靠操作人員通過(guò)按鈕操作和肉眼識(shí)別配合完成，智能化程度低下、井下人員及設(shè)備安全性較低，工作量大大增加。同時(shí)巷道成形質(zhì)量及效率嚴(yán)重受人為因素影響，導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)效率低下、截割斷面成形質(zhì)量差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套以PLC為控制核心的懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割部的自動(dòng)截割控制、截割頭路徑規(guī)劃及運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，具有控制精度高、通訊性能良好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 智能截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

智能截割控制系統(tǒng)的主要功能是對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部實(shí)施有效的自動(dòng)控制，通過(guò)上位機(jī)控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭的移動(dòng)、伸縮及搖臂上下擺動(dòng)的遠(yuǎn)程控制，從而代替人工截割控制。具體功能需求分析如下：

(1) 系統(tǒng)控制方式為自動(dòng)+手動(dòng)組合模式。系統(tǒng)可根據(jù)控制算法通過(guò)控制程序控制掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)完成掘進(jìn)工作，還可無(wú)擾動(dòng)切換至手動(dòng)模式，通過(guò)地面控制中心的操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)人工按鈕操控。

(2) 掘進(jìn)機(jī)截割部自動(dòng)截割控制功能?？刂葡到y(tǒng)可通過(guò)電液比例閥對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部各油缸進(jìn)行智能控制，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割頭的移動(dòng)方向、伸縮距離及搖臂的擺動(dòng)方向、擺動(dòng)速度的自動(dòng)調(diào)控。

(3) 掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割功能。由于井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不同質(zhì)地的煤層會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)造成負(fù)荷沖擊、電機(jī)過(guò)載等問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)截割頭的轉(zhuǎn)速及擺動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)截割，降低截割頭齒輪及液壓機(jī)構(gòu)損耗[6-8]。

(4) 運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集功能?？刂葡到y(tǒng)可對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示、處理分析、數(shù)據(jù)管理及打印報(bào)表等功能，同時(shí)所采集數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)提供控制反饋，通過(guò)工況參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

(5) 故障報(bào)警及保護(hù)功能。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)或系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)進(jìn)行故障診斷并報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)還具備電機(jī)過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)等保護(hù)功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述功能需求分析，本文對(duì)掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)。該控制系統(tǒng)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照不同運(yùn)行功能將整個(gè)系統(tǒng)劃分為各功能模塊，主要包括PLC主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊等部分。智能截割控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PLC主控模塊是本系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行參數(shù)的采集與上傳，并通過(guò)CAN總線(xiàn)和RS232分別與上位機(jī)和手動(dòng)模式下的遙控器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)控制指令的上傳下達(dá)。運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊主要由檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)截割部截割頭、截割臂、油缸及截割電機(jī)等主要部件參數(shù)的各類(lèi)傳感器組成，用于掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制反饋。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊主要由電液比例閥和截割部油缸、截割頭及截割臂等設(shè)備組成，在接收到控制指令后執(zhí)行相應(yīng)掘進(jìn)操作。系統(tǒng)手動(dòng)模式下由人工通過(guò)遙控器和操作臺(tái)完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)的操控，遙控器通過(guò)RS232與PLC主控器實(shí)現(xiàn)通訊。

圖1 智能截割控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊中的各類(lèi)傳感器對(duì)掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，主要包括截割部截割電機(jī)的電壓電流值、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與截割頭的位姿、油缸的油壓和油溫及位移參數(shù)等。隨后運(yùn)行參數(shù)通過(guò)PLC輸入單元上傳至主控器中，然后由PLC將各運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)監(jiān)控模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及分析處理，再由上位機(jī)向PLC下達(dá)控制指令，最終通過(guò)PLC主控器的A/D模塊輸出相應(yīng)數(shù)字控制信號(hào)控制電液比例閥對(duì)截割部進(jìn)行液壓調(diào)控，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC主控模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊以及運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊中的各類(lèi)傳感器構(gòu)成。其中上位機(jī)監(jiān)控模塊包括位于遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的操作臺(tái)及工業(yè)計(jì)算機(jī)，操作臺(tái)可用于手動(dòng)模式下對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制，工業(yè)計(jì)算機(jī)用于運(yùn)行人機(jī)交互界面及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制及參數(shù)監(jiān)測(cè)。控制系統(tǒng)硬件主要選型及設(shè)計(jì)方案如下：

PLC主控器作為本系統(tǒng)的控制核心，其可靠性、數(shù)據(jù)解析能力及處理速度等性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)控制精度及效果影響較大。因此本文選用西門(mén)子S7-1500可編程控制器作為系統(tǒng)主控模塊，S7-1500 PLC的位指令最短運(yùn)算時(shí)間可達(dá)1 ns，浮點(diǎn)運(yùn)算指令最短運(yùn)算時(shí)間可達(dá)10 ns，其背板總線(xiàn)傳輸速度為S7-400的40倍。PLC的CPU型號(hào)選用1515-2PN，負(fù)載電源模塊型號(hào)選用6EP1333-4BA00(PM 190 W 120/230 VAC)，同時(shí)PLC主控模塊需要收集運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊上傳的多組工況參數(shù)信號(hào)，同時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出數(shù)字量控制信號(hào)，因此PLC主控模塊還需配備模擬量及數(shù)字量輸入輸出模塊，其選型分別為SM521(DI)、SM522(DO)、SM531(AI)、SM532(AO)。

油缸位移傳感器的主要作用是通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部油缸及滾筒的位移量檢測(cè)，從而對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置進(jìn)行定位，控制系統(tǒng)可根據(jù)該數(shù)據(jù)控制掘進(jìn)機(jī)對(duì)截割面邊界處進(jìn)行準(zhǔn)確截割。本文采用MTL3本安型磁致伸縮位移傳感器來(lái)檢測(cè)油缸的具體行程。MTL3傳感器的量程為100 mm～1 200 mm，其線(xiàn)性誤差≤0.05%FS，遲滯≤0.001%FS，分辨率可達(dá)0.001%，可輸出4 mA～20 mA DC、0～5 V DC及0～10 V DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可通過(guò)RS485進(jìn)行通訊，滿(mǎn)足本系統(tǒng)的位移檢測(cè)需求。

除了對(duì)油缸的伸縮進(jìn)行精確控制，系統(tǒng)還需對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及截割頭的位姿進(jìn)行測(cè)量。本文選用GLS-B30高精度激光測(cè)距傳感器來(lái)完成掘進(jìn)機(jī)與礦道之間的間距檢測(cè)。GLS-B30的測(cè)量距離為0～100 m，最高精度可達(dá)±2 mm，其供電方式為7 V～24 V外部供電，可輸入4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并通過(guò)RS232或RS485總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通訊，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位姿測(cè)量需求。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)，首先需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行自檢、截割參數(shù)設(shè)置等初始化操作，之后方可運(yùn)行主控程序及上位機(jī)監(jiān)控界面。完成初始化后，系統(tǒng)根據(jù)需求對(duì)控制模式進(jìn)行選擇，若選擇手動(dòng)模式，則通過(guò)遙控器及遠(yuǎn)程控制室的操作臺(tái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割進(jìn)行人工按鈕控制；當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)截割模式時(shí)，系統(tǒng)首先判斷掘進(jìn)機(jī)機(jī)身傾角是否超限，若超限則對(duì)機(jī)身位置進(jìn)行調(diào)整，若未超限則執(zhí)行自動(dòng)截割程序。在自動(dòng)截割程序運(yùn)行時(shí)，需判斷掘進(jìn)機(jī)是否過(guò)載，若未過(guò)載則按照系統(tǒng)內(nèi)的PID算法向PLC輸出相應(yīng)控制指令控制電液比例閥的輸出，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)截割。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割位置達(dá)到預(yù)定值時(shí)，完成整個(gè)截割工作。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)硬件方案的設(shè)計(jì)選型和軟件程序設(shè)計(jì)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割及自適應(yīng)截割控制，同時(shí)可對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證掘進(jìn)機(jī)在礦井無(wú)人值守下可靠運(yùn)行。