悬臂式掘进机智能截割控制系统研究与设计

曹瑞

摘 要：为了提升悬臂式掘进机的掘进精度、以及对不同煤岩体智能识别截割，对悬臂式掘进机的控制系统进行智能化控制系统改造，提出掘进机智能控制系统的控制策略，并主要智能控制系统的软件系统和硬件系统进行设计，实践表明，智能控制系统的可靠性高、自适性好，能够对不同硬度煤岩体进行识别和截割。

关键词：悬臂式掘进机;智能截割;控制系统;煤岩体识别

掘进机作为矿井巷道采掘的重要设备，由于矿井地质条件复杂，采用人工控制掘进机截割臂摆动速度来进行煤体截割，当设备电机负载较大时易发生故障影响设备的使用寿命。为实现对煤岩体的智能识别截割，提高其自适应性，本文设计提出旋臂掘进机智能截割控制系统实现远程操控，根據电机负载情况智能调整掘进机的截割头转速，同时还可识别煤岩体的硬度进行智能截割，满足复杂的截割工况。

1 悬臂式掘进机智能截割控制系统的设计策略

传统的悬臂式掘进机控制系统主要截割电机来驱动掘进机悬臂，智能截割控制系统主要的实现依赖于掘进机机身姿态与位置检测、掘进机截割头姿态测量、煤岩动态感知、掘进机的断面自动成形控制和远程监控等功能的实现。

掘进机机身姿态与位置检测是巷道成形的重要保证。为了保证掘进巷道满足设计需求，必须保证实时了解掘进机的位置及截割状态，智能控制系统中采用捷联式惯导和地磁融合的方式实现机身位置及姿态的测量。当掘进机机身和截割头都处于正确姿态时才可保证巷道的准确成形，截割头由掘进机的水平液压缸和垂直液压缸控制，为了实现实时监测截割头位置的目的，采用用磁致伸缩式位移传感器进行准确测量，同时借助倾角仪对角度进行测量，通过对采集数据进行计算，调整截割头的姿态，提升适应性。

在掘进机截割的过程中，对煤岩进行动态感知识别是重要的环节，当前，大部分矿井根据截割工艺进行煤岩的识别，这种方法会导致电机电压、电流以及电机速度的变化，本文中利用多个传感器对煤岩感知进行测量，结果准确且对截割电机影响较小。掘进机断面成形的控制依赖于掘进机机身的位置，当掘进机机身以及截割头都处于正确位置时，巷道断面的成形满足设计要求。在井下恶劣的环境下，悬臂式掘进机往往会发生一定程度的偏移，当机身偏移量较小或位姿合适时，则可直接运行断面自动成形程序，当机身偏移量较大时，则需要人为干涉调整机身位置，进而运行断面自动成形程序。断面成形程序的运行依赖于截割控制，截割头运行的速度通过较强的控制器实现，实现信息反馈。

悬臂式掘进机远程监控系统由远程监测、远程控制构成。远程监控指的是通过数据传感器等设施实现对悬臂式掘进机运行状态的监测，通过控制器采集以及数据库访问等存储在计算机中，根据远程监控的实现，构建可控程序，操作人员根据监测数据在操作界面进行调控，设备根据指令进行相应的动作，实现了掘进机的远程操控。

2 掘进机智能截割控制系统设计

2.1 智能截割控制系统的硬件设计

悬臂掘进机智能截割控制系统的硬件设计，为保证系统运行的可靠性，应提升其抗干扰性。结合掘进机的运行工况，当掘进机的振动频率>30MHz，易造成系统的信号失真;当设备振动频率>60MHz，系统振动信号处于失真状态，为消除系统的信号失真，提升抗干扰性。将掘进机智能控制系统的运行工率调整为75MHz，达到抗干扰性。

掘进机智能控制系统硬件的抗干扰，设计应结合掘机机的实际工况，振动信号通常是高频与低频结合，系统中利用高通和低通实现对高频以及低频的过滤;并将系统的敏感元件隔离保护，远离干扰设备的影响;对于电容关键部位及时去耦，保证元器件接地;为了加强电路的抗干扰性，将光电隔离芯片加在I/O口间;对于功率较大的器件，应该保证及时接地，且与具有干扰性的电路板之间有一定的距离;为了防止电路之间的干扰作用，保证线路之间的传输方向一致;在总线上加入10K的电阻，增强通信接口的抗干扰性;同时，为保证电路模块的及时接地，电路线的直径尽量大于1mm;当元器件对温度较为敏感时，应该及时进行的散热处理，发热元件之间保证一定的距离，维持模块的正常工作。掘进机智能截割系统的硬件架构如图1所示。

2.2 智能截割控制系统的软件设计

对于截割部的控制，主要通过传感器对设备信号进行采集，经过DSP处理和解算后，实现对截割部的控制，当截割部和掘进机机身都处于正确位置时，进行误差补偿操作，进入断面截割控制。本文主要探讨机身以及截割头调整好后巷道的截割控制。当悬臂式掘进机运行时，通过传感器检测到截割头的运行参数，如运行速度、油缸压力以及截割臂的实际空间角度，通过计算得到截割头在巷道中的位置，进而反算出回旋、升降油缸对应位移，通过理论计算得到截割臂的空间角度，将理论值和实际测量值进行实时比较，进而得到符合标准的断面形状。

掘进机开始运转，会结合断面形状、设置基本参数，调整截割壁初始化位置，随后调用断面自动成形控制子程序，控制液压缸升降、回转进行截割电机作业，然后调用掘进头空间位置子程序，判断掘进头是否达到终点，如果掘进头达到终点，则结束程序，如果掘进头没有达到终点，则重新调用断面自动成形控制子程序，进行截割作业。

上位机是软件系统的设计重点，上机位基于Microsoft Visual Studio实现，采用模块化思想实现对悬臂掘进机运行状态和数据的检测显示，利用1个辅助线程实现通信功能，2个辅助线程实现数据库的更新功能，随后通过TCP协议，实现对悬臂掘进机的远程操控。

3 智能截割控制系统的验证分析

为验证掘进机的运行稳定性，对智能截割控制系统进行验证。实际应用中主要观察截割头的空间位置。借助SQLyog软件对悬臂式掘进机运行状态进行提取，通过MATLAB处理数据，得到在运行过程中截割臂的角度值均小于0.78°，满足安全高效掘进要求，对截割头实际坐标点进行计算并与理论值进行比较，得到图2所示的结果，从图中可以看出，截割头实际坐标点与理论坐标点基本吻合，证明了智能控制系统的精确性。在运行过程中，系统运行稳定，有良好的运行效果。

4 结论

本文针对悬臂式掘进机控制精度差，巷道超挖欠挖现象严重的问题，设计了悬臂式掘进机智能控制系统。实现了智能系统的自适应控制，通过实际应用，证明了智能控制系统在实时监测、自动截割等方面的良好特性，实现悬臂掘进机的智能截割控制，并取得了一定的实效，具有借鉴和指导意义。