悬臂式掘进机自动控制系统设计(1).pdf

第 4 2卷 第 9期 2 0 1 6年 9月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n Vo L 4 2 NO ． 9 Se p ． 2 0 1 6 ’ ’ ’ 经验交流 I． l ． ． 1 ． ⋯ ． ’ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 6 8 0 4 王红． 悬臂式掘进机 自动控制系统设计[ J ] ． DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 6 工矿 自动 化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 6 8 - 7 1 ． 悬臂式掘进机自动控制系统设计 王 红 内蒙古 交通 职业技 术学 院 机械 工程 系 ，内蒙 古 赤 峰0 2 4 0 0 5 摘 要 针 对 目前 悬臂 式掘 进机 机 身定位 存在 精度 低 、 臂 式掘 进机 自动控 制 系统 ， 详 细介绍 了系统硬件 、 软 件 的 实现 了对 悬臂 式掘 进机 的精 确截 割 与 自动控 制 。 自动 化 控制 性 能 差和 工作 效率低 等 问题 ， 设 计 了悬 设 计 。该 系统 采 用姿 态检 测技 术 和 自动 截 割技 术 ， 关 键词 悬臂 式掘 进机 ； 姿 态检 测 ；自动 截割 ； P C C 中图分类 号 T D6 3 2 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 9 一 o 2 1 0 1 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 8 ． 0 1 6 ． h t ml De s i g n o f a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f b o o m r o a d h e a d e r W ANG Hon g De pa r t m e nt o f M e c ha n i c a l En gi n e e r i ng，I nn e r M o ng ol i a Tr a ns por t a t i on Vo c a t i o na l Te c h n i c a l Co l l e g e ，Ch i f e n g 0 2 4 0 0 5 ，Ch i n a Abs t r a c t I n vi e w of p r ob l e m o f l o w a c c u r a c y，a u t o m a t i o n c o nt r o l pe r f o r m a nc e a n d wo r k e f f i c i e nc y o f bo dy p o s i t i o ni n g o f e x i s t i ng b oo m r o a d he a d e r ， a n a u t o ma t i c c on t r o l s y s t e m o f bo o m r oa dhe a de r wa s de s i g ne d，ha r dwa r e a nd s of t wa r e d e s i gn of t h e s y s t e m we r e i nt r od uc e d i n de t a i l ．The s y s t e m u s e s a t t i t ude de t e c t i o n t e c h no l o gy a nd a u t o ma t i o n c u t t i n g t e c hn o l og y t o a c hi e v e p r e c i s e c ut t i ng a nd a ut o ma t i c c o nt r o l of t he bo o m r oa dhe a d e r ． Ke y wo r d sb oo m r o a dhe a de r； a t t i t u de de t e c t i o n； a u t o m a t i c c ut t i ng； pr o gr a m ma bl e c o m p ut e r r O nt r o l 1 e r 0 引言 悬臂 式掘 进机机 身 姿态检 测是 提 高截割 效率 和 精确 性 的关键 ， 实 现掘 进 机 的 自动化 和智 能 化 是 煤 矿井 下采 煤工 作 面安 全 生 产 、 减 少人 工 劳动 强 度 及 改善其环境、 提高采煤效率的重要前提 。目前 ， 煤矿 井下还没有客观的掘进机机身运行位姿测量系统和 评价方法 ， 仅用激光指 向仪指示掘进方 向。当司机 发现 掘进 机机 体偏 离 巷 道 设 计 轴线 时 ， 只 能根 据 断 面 上 的激 光光 斑 指示及 工人 的提 示手 动调 整掘 进机 位姿 ， 但 受 到巷 道 空 间 狭 窄 、 光 线 昏 暗等 因 素 的 影 响 ， 无法 保证 调姿精 度 。为 提高掘 进 机截 割定 位 精度 ， 本 文设 计 了悬臂 式掘进 机 自动控 制 系统 ， 实现 了悬 臂式 掘进 机 的精确 截割 与 自动控 制 。 1 系统组成 悬 臂式 掘进 机 自动控 制系统 组成 如 图 1 所 示 。 有偏差 图 1 悬臂式掘进机 自动控制系统组成 收稿 日期 2 O 1 5 1 2 2 6 ； 修 回 日期 2 0 1 6 - O 4 1 3 ； 责任编辑 张强 。 作者简介 王红 1 9 7 4 一 ， 女 ， 内蒙古赤峰人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要研究方 向为电子及 电气 自动化 ， E - ma i l l 1 4 9 9 5 9 3 2 0 q q ． c o rn。 2 0 1 6年 第 9期 王 红 悬臂式 掘进机 自动控 制 系统设 计 6 9 1 ． 1 机 身姿 态检 测 掘进机机身姿态检测参数 包括机身偏转角 a 、俯仰角 、 偏向位移 a及滚动角 y等 ， 如图 2所示。 掘进 机 机身 姿态 检测 参数 的精 确程 度将 严重 影 响其 定向掘进及位姿纠偏 。 巷 道中心线 巷道 中心线 巷道 中心线 0 廿 涮 翱 ，Y ， z 图 2掘 进 机 机 身 姿 态 检测 参数 运用航姿仪或者倾角传感器和激光测距仪实现 掘进 机 的姿态 检测 ， 步 骤如 下 1 在 掘 进 机 的机 顶 和 两 侧 分 别 安 装 垂 直 方 向、 水平方 向的激光测距仪 ， 其中两侧 的激光测距仪 是对 称安 装 。 2 通过双轴倾角传感器测量掘进机机身俯仰 角及其翻滚角 。 3 通过运算激光测距仪检测 的数据获取掘进 机机身水平的偏 向角。 1 ． 2 掘进 机 机 身姿 态纠偏 将掘进机机身姿态检测参数传人 由工控机和可 编 程 计 算 机 控 制 器 P r o g r a mma b l e C o mp u t e r C o n t r o l l e r ， P C C 组成 的纠偏控制器 ， 工控 机根据 掘进机机身姿态参数矩阵 ， 确定相应的调姿策略， 并 转换为调姿控制参数 ， 送人 P C C中控制执行元件运 行 ， 完 成机 身姿 态纠 偏 _ 6 ] 。 2系统软 件 设计 2 ． 1 自动截割数学建模 将悬臂式掘进机的截割头及每个工作结构部件 简化成球体和刚性杆件 ， 分别建立掘进机截割结构 垂 直及 水平 平 面 的数 学 几 何 模 型 ， 如 图 3所 示 。通 过建立的数学模型可 以确定 升降液压缸伸缩量 z 、 回转 液压 缸 伸 缩 量 Z 和 截 割 头 在 巷道 坐 标 系 中 的 横纵坐标之间的数学关系 ， 进而判定截割头在巷道 中的具体位置坐标。 根据图 3 a 可知 ， 截割头和升 降液压缸伸缩量 z 间可通过其在巷道 中的纵坐标建立关系 c L A l n [ 卜 丸 l 1 巷 顶板o 6 f l 2． I _o ， ， z ’ ． p 3 1 02 ， l上l 一⋯ ’ 一． r 一 a 截割结构垂直平面几何模型 巷 道 右 鼍 轮 廓D ／’ ／、 ， 、 ， ． ．． 、 帮轮 、 b 截 割结 构 水平 平 面几 伺 模 型 图 3 截 割机构几何模 型 式 中 为 巷 道 内截 割 头 的纵 坐 标 ； L 为 截 割 臂 长 度 ； A 1 为截 割 头 伸 缩 液 压 缸 伸 长 量 ； L ， L 。分 别 为 截割 臂垂 直运 动 中心 O2 到 升降 液 压缸 和 机 架 的铰 接节 点 A 及 升 降 液压 缸 和 机架 的铰接 节 点 B 的距 离 ； L 。 为截割臂在水平位置时点 A 到点 B 的距离 ； 声 。为截割臂 在水平 位置 时的角度 ； 0 o为截 割臂和 0 2 B的夹角 。 根据 式 1 可 以看 出 ， 唯 一变量 是 z ， 所 以 ， 截割 头在 巷道 中 的垂 直 坐标 z可直 接通 过位移 传感 器检 测到 的 f 而 确定 。 根据 图 3 b 可 知 ， 截 割 头和 回转 液 压缸 伸 缩量 z 间可通过其在巷道中的横坐标建立关系 y L A／ x cos CO [ 堡 } in 一 『 ] 一 0 l 2 式 中 为巷道 内截 割头 的横 坐标 ； e 为 0 到水 平 回 转工作 台中心 0 的距 离 ； 为两 水平 回转 液 压缸 和 悬臂式掘进机机身的铰接节点 0 或 O 5 到 O 的距 离 ； r为 回转 台 半 径 ； L 为 截 割 头 在 水 平 中 间位 置 时 O4 到水平回转液压缸和水平回转工作台的铰接 节点 0 6的距离 ； 为截割头处于水平中间位置时的 角度 。 第 4 2卷 第 9 期 2 0 1 6年 9月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 9 S e p ． 2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 7 1 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 7 张大伟 ， 辛 德林 ． 煤 矿斜 井盾 构施 工长 距离 独头 通 风智 能监控 系统 I- J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 7 1 7 3 ． 煤矿斜井盾构施工长距离独头通风智能监控系统 张大伟 ， 辛德林 中煤科工集团武汉设计研究 院有 限公司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 6 4 摘 要 针 对煤矿 斜 井盾 构 法施 工时 的长距 离独 头通 风 ， 设 计 了一 种 以 P LC为 核 心 的智 能监 控 系统 。该 智 能监控 系统可根 据 不 同风 筒 长度 的风 量及 负压 变化 规律 ， 对通 风机 进 行 自动 调 节 ； 同时 ， 对斜 井 井 筒 内的 甲烷 、 一氧化碳 、 二氧化碳及氧气等环境参数进行 实时监测 ， 并上传至矿区数 字化管理平 台， 为盾构施工提供 了安 全 的通风 保 障 。 关键 词 盾构 法 ；斜 井盾 构施 工 ；通风 监控 ；智 能监 控 ； P L C 中 图分类 号 TD 6 3 5 文献 标 志码 B 网络 出版 时间 2 0 1 6 - 0 9 0 2 1 0 1 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 9 ． 0 1 7 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 2 2 ； 修 回 日期 2 0 1 6 - 0 7 1 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家科技支撑计划子课题 2 0 1 3 B AB 1 0 B 0 3 5 。 作者简介 张大伟 1 9 8 2 一 ， 男 ， 安徽寿县人 ， 高级工程师 ， 主要从事矿山电气 自动化研究 工作 ， E ma i l z d w0 2 7 1 6 3 ． c o m。 表 1 测试数 据 mm 5 O mm， 最 大相对控制 误差为 2 ． 2 ； 右 帮最大误 差 为 2 0 mm， 最 大相对控制 误差为 0 ． 9 ； 两 帮综合 最大误 差为 7 0 m m， 最 大相 对 控 制误 差 为 1 ． 6 ， 经 多 组试 验 ， 验证 了该控 制系统控制 精度高 、 无 累计偏差 。 3 结语 悬臂式掘进机 自动截割控制系统采用姿态检测 技术 ， 通过对掘进机机身 的偏转角、 俯仰角、 偏 向位 移及滚动角等工作 参数的检测 ， 实现了对悬臂式掘 进机 机身 姿态 的检 测 ； 同 时 ， 运 用 P C C模 块 化 编 程 完成了对掘进机的 自动截割控制 ， 并且在上位机功 能界 面 中动态 显示 截 割 头 工作 轨 迹 ， 使 掘 进 机 的 自 动化 水平 及工 作效 率得 到 了显著提 高 。该 系统 具有 控制精度高、 累计偏差小的特点。 参考文献 康栋梁 ， 童敏明 ， 贾存 良， 等． 悬臂式掘进机截割头监 测 系统 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 4 1 3 9 1 4 1 ． 李睿． 悬臂掘进机机身位姿参 数检测 系统研究 [ D ] ． 北 京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 1 2 ． 田原． 悬臂掘进机 自动导 向和定位 技术探 索E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 8 2 6 - 2 9 ． 邓 国华． 基于激光 导 向器 的悬臂式 掘进机位 置姿态 自 动测定方法I - J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 9 2 0 2 3 ． 田劫． 悬 臂 掘进 机 掘进 自动截 割 成形 控 制 系统 研 究 [ D] ． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 1 0 ． 刘建功 ， 吴淼 ， 魏景生 ， 等． 悬臂掘进机 自动截割控制关 键技术[ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 0 8 ， 3 4 1 2 5 4 5 7 ． 王苏或 ， 高 峰， 李 睿 ， 等． 基 于 P C C的任意巷道 断面 自 动截割成形控制系统l- J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 3 ， 3 8 增刊 1 2 61 - 26 6． 王苏或． 悬臂 式掘进 机记忆截 割及 自动截割控 制方法 研究[ D] ． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 1 4 ． ] ] ] ] ] ] ] ]