掘进机自适应截割控制系统的设计及应用

李鹏飞，张晓娟

（1.晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037001；2.晋能控股煤业集团虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

引言

掘进机是进行巷道掘进不可或缺的设备，在煤矿开采中被大量的应用。由于巷道掘进过程中的工作条件恶劣，掘进机自动化截割技术尚不成熟，造成矿井的采掘失调[1]，不利于煤矿生产效率的提升。针对掘进机截割的控制过程，将自动化控制技术与掘进机截割机构的运动结合起来，建立掘进机的自适应截割系统，并进一步展开应用分析。

1 掘进机自适应截割系统的整体设计

掘进机通过自身的移动及截割机构的旋转运动进行巷道掘进，在进行自动截割时，掘进机依据设定的参数及控制程序，主要对油缸的运动进行控制，并对矿井的信息进行监测。自适应截割系统要求能够进行巷道的自动截割，截割路径的记忆及规划，依据矿井信息进行自适应的调速[2-3]，进行截割头轨迹的计算。

采用基于PCC 结合工控机的系统架构进行掘进机自适应截割系统的设计，系统的整体方案如图1 所示。其主要功能包括截割头姿态的测量及调整，截割路径的规划及跟踪，系统的远程通信及上位机可视化的显示。

图1 自适应截割控制系统的整体方案

PCC 结合工控机自适应截割系统通过采集截割臂油缸的位移、温度、流量等信息并进行转换，将数据传输至PCC 进行存储，对数据进行解析计算得到截割头的位置信息，并将其传输至工控机。PCC 依据巷道的掘进工艺及尺寸参数信息进行截割路径及调速模块的计算，通过PP480 工控机进行远程通信，通过截割路径及轨迹的信息进行实时的计算，并将控制指令进行转换控制液压系统的动作，实现对截割头的自适应控制。

掘进机控制系统实现自适应的截割，其功能设计的流程如图2 所示，主要包括自动截割及手动截割两种控制模式，手动、半自动及全自动三种操作方式，在满足自动截割的条件时，依据巷道环境及截面参数进行自动截割，可进行人为的干预，避免出现错误，无法满足自动截割时，进行手动控制作业，包含直接控制设备及进行远程控制功能。

图2 控制系统功能设计流程

2 掘进机自适应截割系统的控制功能实现

依据掘进机自适应截割系统的功能进行控制系统的功能开发，控制系统的硬件控制流程如下页图3所示，控制系统硬件部分主要包括检测单元、控制单元、控制传输单元及执行单元。检测截割头位置的传感器分布在截割臂的机械本体内，用于检测油缸的位移伸缩量，并反馈给控制系统，依据截割头的空间位置，建立掘进机的运动模型，并计算出截割头在巷道中的位置，依据检测到的截割电机的电流，可以描绘出掘进机三种不同的截割方式在巷道中的运动轨迹，从而依据巷道环境参数进行动态调整。截割电机的电流参数反映了截割头进行作业的巷道煤壁的硬度，可自动控制截割头的速度，自动适应截割过程。当存在较硬煤岩时，截割电流过载，控制系统控制截割头对截割路径进行重新调整，避开较硬煤岩，保护截割头及截割电机免受损害。

图3 自适应控制系统的硬件控制流程

控制传输单元主要由PC、工控面板、遥控器及操作手柄组成，PC 及工控面板之间采用CAN 通信，内部含有多个IO 模块，实现对检测单元多个传感器信号的采集及监测，PC 发出的信号经过转换传输，输出到不同的执行模块。掘进机自适应截割控制系统在作业过程中，由检测单元给定系统截割头的状态及位置、截割电机的电流、电压及油缸的位移等实时参数，经控制信号进行采集存储，控制系统进行计算分析后控制掘进机的动作，实现对巷道的自动截割。

掘进机自适应截割控制系统采用PID 调节的控制方法，需要采集响应的反馈信号实现系统的闭环控制，截割机构的上下位置通过安装在回转台中心的位移传感器进行采集，左右位置通过旋转编码器进行采集，俯仰角及滚动角的位置通过倾角传感器进行采集。自适应截割控制系统的PID 控制原理如图4 所示，经过传感器采集的信号，计算实际值与理论值的偏差，控制器中将偏差值作为输入信号，经过PID 控制器的计算，对输出信号进行调节，实现反馈控制。PID 控制器采用主从控制的形式，主控制器进行传感器数据的采集，从控制器进行执行机构的控制，两者之间采用CAN 总线的形式通信，由此可以提高截割控制系统的稳定性和准确性。

图4 自适应截割系统控制原理

3 应用效果分析

巷道断面的形状及掘进效率与煤矿的安全生产效率具有直接的影响，实际进行截割的过程中，考虑到煤岩的赋存及巷道的形状、地质条件的变化，多选用较为方便的截割方式，降低截割的阻力，从而便于实现自动截割系统的应用。针对掘进机自适应截割的需求，设计PCC 结合工控机自适应截割系统架构，满足巷道掘进的需求，进行了系统的功能设计及控制流程设计，实现了基于PID 控制方式的掘进机自动截割系统。对所设计的自适应截割控制系统进行应用及分析，在自动与手动截割两种不同的方式中，自动截割所需的时间较短，可以提高系统的掘进效率，从而提高煤矿的综合效率，满足自动化生产的需求。