悬臂式掘进机综合自动控制系统研究

岳东旭

(西山煤电 技术中心，山西 太原 030053)

0 引言

悬臂式掘进机是巷道掘进的设备，主要应用于煤矿或者铁路的采掘生产和挖掘施工。传统的掘进机采用人工目测和手动操作进行控制，不但欠挖和超挖情况时有发生，而且井下或洞内工作人员劳动强度大、安全性差。随着计算机技术和信息技术的快速发展，基于多传感器监测技术和实时控制技术的智能控制系统应运而生，掘进机综合自动控制系统能实现采挖断面的自动成形，提高掘进机工作效率，对于提高煤矿综采的自动化水平和安全生产水平具有重要意义。

1 悬臂式掘进机控制功能

悬臂式掘进机的工作过程为：截割头通过水平液压油缸、垂直升降油缸和伸缩油缸实现水平回转、垂直升降和伸缩等运动，对断面进行截割使煤掉落；装运机构的行星轮和铲板将煤装载到运输机的输送带上，然后运出巷道；走行机构通过液压马达驱动实现掘进机机身移动。分析上述掘进机的工作过程及其智能化控制要求，一套完整的悬臂式掘进机综合自动控制系统的基本功能包括：

(1)掘进机位姿测量。掘进机位姿测量是指对掘进机的位置和姿态进行测量，在掘进工作中，掘进机在巷道的坐标关系到掘进工作的进度和位置是否满足要求，掘进机机身姿态关系到巷道成型质量，因此位姿测量是掘进机综合自动控制系统最基本的功能之一。本文采用捷联式惯导和地磁融合技术进行掘进机位姿测量，能满足综合自动控制系统对位姿测量的要求。

(2)截割头位姿测量。为实现断面的自动成形必须对截割头位置和姿态进行测量，截割头的位置和姿态取决于水平液压缸、垂直液压缸和伸缩液压缸，本系统采用磁致伸缩式位移传感器和倾角仪进行数据采集，然后配合相应算法进行位姿解算。

(3)煤岩识别。为实现自动截割必须对空转、截割煤层和截割岩层进行识别，本文采用多传感器对电机电流、油缸压力和速度等运行参数进行采集，然后对多种数据进行融合从而分析当前截割状态。

(4)自动成形截割。将油缸和截割电机的数据作为反馈量，用来控制截割头的移速和转速，能够实现截割面的自动成形。

(5)远程监测和控制。控制器采集的数据通过CAN总线上传到机载计算机数据库，机载计算机通过网络将数据库中的数据上传给远程计算机，实现数据的远程显示。掘进机综合自动控制系统通过远程通信接口接收远程计算机发出的指令，根据指令完成远程控制。

2 综合自动控制系统硬件

图1为悬臂式掘进机综合自动控制系统硬件结构图，包括传感器模块、DSP和CPLD控制模块、比例液压阀和掘进机执行机构、上位机和远程数据库等。捷联惯导模块、超声波传感器和激光传感器通过RS485与数据采集模块进行数据传输。电流传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器和位移传感器通过AD模块与数据采集模块进行数据传输。数据采集模块得到传感器模块采集的数据后进行处理，并根据一定的控制策略给出相应的控制信号，通过DA模块控制比例液压阀，或者通过IO结构直接对掘进机执行机构进行控制，同时与上位机进行数据传输，将数据存储在数据库中，远程计算机可通过TCP协议对数据库中的数据进行访问。

图1 悬臂式掘进机综合自动控制系统硬件结构框图

2.1 控制器选型

悬臂式掘进机综合自动控制系统需要采集多组数据并完成处理，然后经过分析和计算，对电机转速、油缸位移进行实时控制，实现掘进机的综合自动化控制。为了满足截割工艺算法的要求，控制器需要兼具丰富的接口和杰出的数据处理能力。相较于其他控制器，DSP采用哈佛结构设计，其运算速度更快、数据处理能力更强；CPLD具有多I/O接口、编程灵活的特点。因此，综合自动控制系统的控制器选择以DSP TMS320F2812为主控芯片，结合CPLD实现IO接口扩展功能。

2.2 接口电路设计

接口电路设计是“DSP+CPLD”控制方案的核心部分。数字量接口电路通过光电耦合芯片TLP293-4和驱动芯片ULN2803将控制器的3.3 V电压转换为24 V电压。RS485接口电路由DSP的SCIB模块和MAX485组成，由于控制截割电机的变频器采用PLC控制，因此还设计了RS232接口与DSP通信。由于掘进机传感器的输出电压较高，而DSP的ADC模块电压范围不超过3.3 V，因此设计如图2所示的模拟量采集接口电压转换电路，采用电阻分压电路将电压线性缩小，并设计了电压跟随电路和二极管钳位电路以增强信号和保护DSP引脚。此外，还有控制量DA转换电路、通信接口电路和SD卡接口电路等。

图2 模拟量采集接口电压转换电路图

3 综合自动控制系统软件

综合自动控制系统软件针对不同功能采用模块化设计语言，分为巷道断面自动成形截割软件、下位机软件和上位机软件。

巷道断面自动成形截割软件是掘进机综合自动控制系统的核心软件。针对不同形状的断面，掘进机的工艺流程不同，截割路径也不同。常见的标准断面形状有矩形、梯形和半圆拱形，不同断面形状的截割路径如图3所示。确定了不同形状标准断面的工艺流程和截割路径后，编制巷道断面自动截割成形程序，图4为其流程图。程序开始后选择断面形状，调整截割臂位置在初始状态后调用断面自动成形控制子程序，通过控制液压缸升降、回转从而控制截割电机工作，当掘进头到达工艺流程设定的终点后程序结束。

图3 不同断面形状的截割路径示意图

图4 巷道断面自动截割成形流程

下位机软件指的是掘进机综合自动控制器与机载计算机、机载传感器之间的通信软件和数据采集软件，包括数据采集与处理程序、输入输出程序和通讯程序等。上位机软件指的是掘进机综合自动控制器与远方监控计算机通信软件，以及远方监控计算机的监测界面软件等。上位机软件采用VS和QT进行开发，完成掘进机各项参数和运行信息的采集、显示和存储。上位机软件采用多线程技术提高其响应速度，主线程执行主控界面更新任务，两个以辅助线程分别执行CAN通信任务和数据交互任务。

4 结束语

悬臂式掘进机综合自动控制系统的功能包括掘进机位姿测量、截割头位姿测量、煤岩识别、自动成形截割和远程监测和控制。基于“DSP+CPLD”的控制器方案能够充分发挥DSP和CPLD各自的优势，具有数据处理能力强和接口丰富等特点。悬臂式掘进机综合自动控制系统是一套结合多传感器融合技术、煤岩识别技术和机器人技术的综合控制系统，能够提高综采自动化水平和生产安全水平。