礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的研究

申俊生

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030053）

引言

煤礦采掘過程中巷道掘進(jìn)施工的速度和效率影響礦井的整體生產(chǎn)效率。針對(duì)傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)截割煤巷成形效果差、效率低、強(qiáng)度高等問題，通過分析礦井掘進(jìn)機(jī)的工作原理，基于PLC 變頻控制器設(shè)計(jì)了礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)姿態(tài)的精確監(jiān)測(cè)和調(diào)整。

1 智能截割控制系統(tǒng)工作原理

礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)引入了一個(gè)虛擬化的操作平臺(tái)，在井下巷道系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了3D模型，使得掘進(jìn)機(jī)時(shí)刻維持在高效工作狀態(tài)。采煤機(jī)上的各類傳感器設(shè)備能夠獲得掘進(jìn)機(jī)在工作過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如位置、截割狀態(tài)、高度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度等，將通信中心的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)。通過對(duì)比虛擬模型中的動(dòng)作與數(shù)據(jù)庫信息，使得井下巷道內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)器處于控制狀態(tài)，及時(shí)修正井下掘進(jìn)截割作業(yè)狀態(tài)信息，提高截割過程數(shù)據(jù)的精確性。該控制系統(tǒng)具有自動(dòng)截割控制與人工遠(yuǎn)程控制兩個(gè)部分，在地質(zhì)條件良好的狀況下能夠獲得較高的自動(dòng)截割控制效率，在地質(zhì)復(fù)雜時(shí)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)具有較高的安全性與靈敏度，控制功能強(qiáng)大。在掘進(jìn)機(jī)發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令之后，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)接受并將其傳遞到數(shù)據(jù)庫中，在控制PLC 的作用下反饋到真實(shí)掘進(jìn)機(jī)中，提高控制過程的效率。同時(shí)，掘進(jìn)機(jī)上傳感器搜集到的數(shù)據(jù)會(huì)傳遞到傳感器PLC 中，將其儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中發(fā)揮著重要作用。

2 礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)所用設(shè)備分析

首先，掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)需要用到大型的變頻設(shè)備，可以將輸出功率控制在200 W 左右，額定電壓水平控制在1 140 V，運(yùn)用逐漸下降的截割電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，從多個(gè)角度控制電機(jī)的正常運(yùn)行。其次，該系統(tǒng)需要用到變頻器設(shè)備，具有轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能，確保設(shè)備參數(shù)與曲線上的值對(duì)應(yīng)。在控制轉(zhuǎn)速時(shí)，需要增加轉(zhuǎn)速的限制幅度，將截割電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制在一定范圍之內(nèi)。該設(shè)備輸出的頻率電流存在較大差異，分別為高、中、低3 個(gè)檔位，分別應(yīng)用于巖石巷道、半煤巖巷道、全煤巖巷道當(dāng)中。再次，該設(shè)備需要確保主控制器的性能，靈活調(diào)整變頻器的工作檔位情況，促使系統(tǒng)的破巖能力和掘進(jìn)效率之間達(dá)到平衡狀態(tài)，提高速度切換的速度。當(dāng)掘進(jìn)位置處的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，巖層的硬度會(huì)隨之增加，該控制系統(tǒng)能夠自主切換擋速，解決由巖層變化導(dǎo)致的載荷變化問題。如果煤層的硬度低于正常范圍值，可以通過自主切換擋速提高掘進(jìn)效率與質(zhì)量，完善工作成果。變頻器能夠適應(yīng)煤巖層的變化趨勢(shì)，使其破巖能力及掘進(jìn)效率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)智能化控制的目標(biāo)。

3 礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

顯示屏是控制系統(tǒng)的上位機(jī)，PLC 控制中心是下位機(jī)的主要組成部分。上、下位機(jī)中的變頻器、控制開關(guān)等裝置用總線連接的方式結(jié)合在一起。將現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備和變頻器設(shè)備聯(lián)系在一起，建立起高效的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)。主控制機(jī)和截割機(jī)之間能夠通過CAN 完成總線通信目標(biāo)，實(shí)時(shí)寫入變頻器的運(yùn)行參數(shù)信息，確保截割機(jī)能夠正常運(yùn)行，并將具體的參數(shù)信息在顯示屏上呈現(xiàn)出來。

該系統(tǒng)采用液晶顯示屏，內(nèi)含具有交互功能的接口，能夠隨時(shí)控制電機(jī)系統(tǒng)的開閉。同時(shí)，控制開關(guān)位于防爆箱內(nèi)部，能夠完成自動(dòng)變擋目標(biāo)，也可以采用手動(dòng)切換的方式進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。

3.2 控制系統(tǒng)截割控制策略

掘進(jìn)機(jī)變頻器具有3 個(gè)不同的檔位。在掘進(jìn)速度尚未發(fā)生變化時(shí)，截割機(jī)的載荷量會(huì)隨之發(fā)生變化，確保轉(zhuǎn)速過程的穩(wěn)定。當(dāng)載荷量出現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)，轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之下降，需要自動(dòng)變化檔位信息，通過總線系統(tǒng)完成通信目標(biāo)，提高總線運(yùn)行效率。如果系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最低值、電流及轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)范值，主控制器會(huì)自動(dòng)暫停程序，提高截割機(jī)的破巖能力及輸出效率。同時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及電流均低于正常范圍，主控制器需要自主增加檔位，確保掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行?？偟膩碚f，該系統(tǒng)會(huì)以高檔位狀態(tài)開始運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信息，當(dāng)三者均達(dá)到定值之后即開始降低檔位，使其維持在低檔位運(yùn)行狀態(tài)，再當(dāng)三者同時(shí)滿足下一定值條件時(shí)，再完成提高檔位操作，如此循環(huán)，直到完成掘進(jìn)工程任務(wù)。

3.3 虛擬控制平臺(tái)的創(chuàng)建

采用3D 模型及信息化軟件能夠調(diào)整坐標(biāo)軸狀況，通過建立相關(guān)模型提高掘進(jìn)過程的可靠性與速度。在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中，無需參與運(yùn)動(dòng)過程，可以結(jié)合實(shí)際情況建立模型，滿足虛擬控制系統(tǒng)的需求。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)與控制器之間能夠完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)，采取集成式的傳輸控制機(jī)制，調(diào)整數(shù)據(jù)信息，將其傳遞到數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)，需要將掘進(jìn)機(jī)傳感器設(shè)備中搜集到的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，靈活控制數(shù)據(jù)庫中的控制指令庫，提高操作控制效率。

3.4 視頻輔助截割系統(tǒng)

煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，記憶截割控制方案難以滿足智能化控制截割任務(wù)的需求?？梢越柚曨l完成人工遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的創(chuàng)設(shè)，觀測(cè)井下截割環(huán)境的變化情況，滿足安全控制的目標(biāo)與要求。在設(shè)計(jì)視頻輔助控制系統(tǒng)時(shí)，可以將視覺測(cè)量系統(tǒng)、捷聯(lián)貫導(dǎo)系統(tǒng)、超聲波傳感器及激光傳感器作為綜合傳感設(shè)備，通過以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)連接起來，計(jì)算出截割頭的姿態(tài)，確定截割軌跡，解答掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿狀況，提高數(shù)據(jù)解算效率，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)質(zhì)量合格。之后便將數(shù)據(jù)信息傳遞到了顯示模塊，呈現(xiàn)出圖形化位姿信息、軌跡信息、報(bào)警信息及歷史數(shù)據(jù)信息。

傳感器部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，能夠精準(zhǔn)測(cè)量出視覺數(shù)據(jù)，提高導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在激光傳感器和超聲波傳感器的作用下完成定位工作，優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)的截割姿態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下位置信息?？梢栽谝曈X輔助系統(tǒng)中安裝防爆相機(jī)，提高監(jiān)測(cè)的分辨率，適應(yīng)粉塵度高、能見度差的環(huán)境狀況，滿足監(jiān)測(cè)精確程度要求。掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身和振臂上裝有大量的發(fā)光二極管設(shè)備，可以繪制出大致的位置狀態(tài)信息，滿足低能見度環(huán)境下的視頻監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 記憶截割策略

礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)主要運(yùn)用記憶截割的控制方式，在人工控制的方式下完成智能截割作業(yè)任務(wù)，完成作業(yè)過程中對(duì)位置信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的擬合，并將其保存到數(shù)據(jù)庫中，呈現(xiàn)出虛擬的人工掘進(jìn)軌跡，在人工修正的作用下修改掘進(jìn)軌跡，提高控制方案工作的有效性。在執(zhí)行智能化截割任務(wù)時(shí)，需要根據(jù)巷道內(nèi)部的實(shí)際位置，探索出最佳的工作狀態(tài)，使其以最優(yōu)化的作業(yè)姿態(tài)完成截割作業(yè)目標(biāo)。掘進(jìn)機(jī)上安裝有傳感器，會(huì)將其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)反饋到數(shù)據(jù)庫中，通過自動(dòng)對(duì)比過程優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)的工作效果，在閉環(huán)控制的前提下提高工作性能，切實(shí)滿足自動(dòng)截割控制作業(yè)過程的需求。在進(jìn)行虛擬記憶截割時(shí)，需要根據(jù)井下綜采面的實(shí)際地質(zhì)狀況調(diào)整工程狀態(tài)，為下一階段工作任務(wù)的順利完成奠定強(qiáng)有力基礎(chǔ)，提前做好轉(zhuǎn)速及姿態(tài)變化工作，全面控制掘進(jìn)機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與安全性的目標(biāo)。

4 礦井掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)的方案

4.1 PLC 控制流程分析

在短壁開采掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)中需要用到此技術(shù)。在智能截割過程開始之后，在截割頭到左邊界的位置之后再沿著當(dāng)前高度持續(xù)到右邊界，如果此時(shí)已經(jīng)到達(dá)頂部，需要向上移動(dòng)一個(gè)步距，并沿著當(dāng)前高度一直移動(dòng)到左邊界。此時(shí)再判斷距離頂點(diǎn)的距離情況，返回起點(diǎn)處，一直重復(fù)此類循環(huán)，直到智能循環(huán)過程結(jié)束。

4.2 CAN 通信協(xié)議設(shè)計(jì)過程分析

短壁綜采工作面系統(tǒng)中的掘進(jìn)智能切割系統(tǒng)可以通過PLC 控制器及電氣操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)傳輸過程。在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)定電氣操作臺(tái)的參數(shù)，使得通信時(shí)波特率維持在正常范圍之內(nèi)。需要定義好PLC 控制器與上位機(jī)CAN 通信協(xié)議之間的格式，使得智能截割控制系統(tǒng)時(shí)刻處于高效性。

5 應(yīng)用效果分析

在煤礦采掘作業(yè)過程中，需要運(yùn)用懸臂式的掘進(jìn)機(jī)，完成對(duì)采面回風(fēng)港及矩形煤礦的掘進(jìn)工作，根據(jù)地質(zhì)地形資料計(jì)算出預(yù)計(jì)巷道長度。在掘進(jìn)過程中，可能會(huì)遇到半煤巖巷道，煤層的硬度值維持在0.7～1.3 之間，總面積大約為20 m2。該控制系統(tǒng)可以通過變頻器控制轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能，不斷調(diào)整應(yīng)用結(jié)果的換擋參數(shù)，使其自動(dòng)完成換擋操作任務(wù)。隨著電機(jī)載荷量的增加，在自動(dòng)換擋之前，變頻器轉(zhuǎn)速會(huì)降低，滿足轉(zhuǎn)矩與電流的需求，在此過程中，3 個(gè)參數(shù)的變化曲線均呈現(xiàn)出較為平滑的狀態(tài)[1-2]。

6 結(jié)語

智能化截割控制系統(tǒng)包括變頻器、主控制器、自動(dòng)化轉(zhuǎn)換器等，可以通過電機(jī)載荷的變化情況完成自動(dòng)換擋的操作任務(wù)，提高掘進(jìn)工作的效率與質(zhì)量，切實(shí)保障工程施行的安全性。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用過程中，需要根據(jù)電機(jī)的載荷情況進(jìn)行自動(dòng)換擋，根據(jù)巖層的特點(diǎn)完善掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行功能，提高掘進(jìn)機(jī)工作效率與質(zhì)量，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。