掘进机摇臂智能控制系统的研究及应用.pdf

引言 随着综采技术的不断提高，煤矿井下掘进机截 割效率和截割稳定性成为了限制综采效率进一步提 升的瓶颈。掘进机在截割作业过程中依靠人工控制 摇臂上截割机构的截割状态，同时根据经验判断掘 进机的进给作业速度， 由于井下能见度较低， 工人在 长时间进机工作后极易出现判断失误，影响掘进作 业的质量，而且还极易出现截割机构的触顶损坏事 故、 截割成型质量差等， 给煤矿井下的综采作业安全 和效率均造成了较大的影响[1]。 因此， 本文研究一种 新的掘进机截割机构自动控制系统。 1掘进机摇臂智能控制系统结构 针对现有掘进机摇臂控制系统所存在的缺陷， 本文提出了一种新的掘进机摇臂智能控制系统， 该 控制系统采用了上位机和下位机联动通信控制模 式， 实现了对掘进机截割作业的智能控制， 该掘进机 摇臂智能控制系统整体结构如图 1 所示[2]。 该掘进机摇臂控制系统主要包括监测模块、 控 制模块和执行模块，监测模块主要包括系统内的各 类位移传感器、 电流传感器、 速度传感器、 电压传感 器、 压力传感器等， 用于对掘进机掘进作业过程中摇 臂偏转角度、 执行油缸伸缩量、 驱动电机工作电流、 截割滚筒的截割转速等进行实时监测，然后根据系 统内所设定的截割机构空间位置与回转角度、油缸 伸缩量，驱动电机电流与截割阻力等之间的关系[3] 计算出掘进机摇臂截割作业时的截割路径、截割阻 力，根据截割路径判断掘进机的巷道截割质量是否 满足系统的预设要求，结合监测结果和实际测量结 果不断地对截割路径进行修正，从而确保巷道的截 割质量。 通过对截割阻力的判断， 系统自动对掘进机 的截割转速和进给速度进行调整，在确保截割稳定 性的情况下提升巷道的掘进速度。该智能控制系统 的突出优点还在于具有记忆截割功能，可以满足在 较复杂地形条件下的截割作业需求，降低人工工作 量， 提高掘进作业的质量和效率。 2掘进机摇臂智能截割控制逻辑 该掘进机摇臂控制系统利用液压机构驱动控制 摇臂升降和回转台旋转的执行油缸来实现对掘进机 摇臂工作状态的控制，当掘进机的摇臂执行自主智 能控制截割时， 重点是对掘进过程中摇臂回转时机、 回转角度、 摇臂的升降高度、 流量控制等进行调整， 最终实现对摇臂掘进机构截割路径的精确控制， 满 足巷道掘进质量要求，该自动截割控制逻辑如下页 图 2 所示[4]。 在该自动截割控制系统中， 系统根据预设逻辑， 判断出截割机构接下来的运行轨迹后，将摇臂回转 机构、 摇臂升降机构、 流量情况等数据信息通过比例 放大器转换为控制电信号，实现对各控制数据量的 实时控制，同时当监测系统将监测结果反馈给控制 掘进机摇臂智能控制系统的研究及应用 周小铜 （太原煤气化 （集团） 有限责任公司炉峪口煤矿， 山西太原030203） 摘要 由于煤矿井下地质条件复杂， 传统的掘进机截割机构的截割控制均通过人工完成， 但存在着人工劳动强 度大、 控制效率低下， 极易出现掘进机截割机构的触顶损坏事故， 给煤矿井下的掘进作业安全造成了极大的影 响， 基于此， 提出一种新的掘进机截割机构自动控制系统。该系统能够实现对掘进机截割作业的自动化控制， 自 动检测截割过程中的截割状态， 调整截割转速和掘进机的进给速度， 能够在确保掘进安全的前提下提升掘进机 的截割效率， 具有较大的应用推广价值。 关键词 掘进机截割机构截割性能 中图分类号 TD421.5文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0231-02 收稿日期 2020-01-31 作者简介 周小铜 （1984） ， 男， 本科， 毕业于山西大同大学采 矿工程专业， 工程师， 太原煤气化 （集团） 有限责任公司炉峪口 煤矿采煤副总兼技术部部长， 从事煤矿开采技术工作， 研究方 向为煤矿井下采煤、 掘进。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.101 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 图 1掘进机摇臂截割控制系统结构示意图 控制单元 上位机 智能工控面板 （PP480） CAN 通讯 下位机 PCC （CP570） 遥控器 手动模式 操作手柄 比例 放大板 执行单元 回转台回转油缸 截割臂升降油缸 截 割 头 检测单元 回转油缸位移传感器 升降油缸位移传感器 截割电机电流传感器 自动截割程序 记忆截割程序 边界控制程序 显示截割头运动 轨迹断面轮廓 RS232 通讯 负 载 敏 感 式 多 路 比 例 换 向 阀 组 自动化技术与设计 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 中心后，控制中心自动对各监测参数的偏差情况进 行计算， 并输出模拟量调节信号， 经过比例放大后实 现对控制机构的闭环调节，满足在不同情况下的动 态调节控制要求， 根据实际测算， 采用该控制逻辑后 对巷道截割精度小于 10 mm，比优化前的 90 mm 的 掘进精度有了显著的提升。 3摇臂智能控制系统应用效果 为了对该摇臂控制系统作用下，掘进机截割机 构的截割性能进行分析，本文建立了掘进机摇臂智 能控制系统模拟实验平台[5]， 对掘进机摇臂在智能 截割控制模式和传统人工截割控制模式下的效果进 行分析， 将巷道成型精度、 掘进机的掘进截割效率进 行对比分析，掘进作业时的巷道宽度为 5 500 mm， 高度为 6 300 mm， 巷道界面为近似拱形截面。 由实际对比分析可知，采用人工调节控制模式 下，人工的每一次调节均会对掘进机截割机构的截 割路径产生较大的影响，使其出现明显的偏离和波 动， 当采用智能截割控制模式时， 掘进机的截割机构 基本上是沿着设定的抛物线的截割轨迹进行截割作 业， 整个截割作业过程中表现出了极高的稳定性。 同 时根据对完成一次截割作业所需时间对比，人工截 割控制耗时约 25 min， 采用智能控制截割时， 时间约 为 14.6 min， 比优化前降低了 41.6， 极大地提升了 巷道掘进质量和效率。 4结论 1） 新的掘进机摇臂智能控制系统， 采用了上位 机和下位机联动通信控制模式， 分为监测模块、 控制 模块和执行模块； 2） 新的控制系统， 能够将巷道成型精度由最初 的 90 mm， 提升到 10 mm， 显著提升巷道成型精度； 3） 采用新的控制系统， 巷道截割作业过程中稳 定性高， 巷道成型质量好， 而且成型时间比人工控制 提升了 41.6。 参考文献 [1]李晓豁， 刘兴刚.纵横轴式掘进机截割头载荷的模拟分析[J].辽 宁工程技术大学学报 （自然科学版） ， 2008， 27 （5） 745-747. [2]李建刚， 毛君， 李惟慷， 等.悬臂式掘进机截割控制机理[J].辽宁 工程技术大学学报 （自然科学版） ， 2009， 28 （4） 621-624. [3]刘春生， 陈金国， 张艳军.采煤机滚筒液压调高比例控制系统的 数值模拟[J].黑龙江科技学院学报， 2011， 21 （5） 395-399. [4]毛君， 李建刚， 李惟慷， 等.掘进机器人的仿形记忆截割建模与 虚拟仿真[J].系统仿真学报， 2009， 21 （15） 4 831-4 834. [5]魏晓华， 师建国.纵横轴式掘进机截割过程动力学建模与分析 [J].辽宁工程技术大学学报 （自然科学版） ， 2013， 32 （1） 89-92. （编辑 贾娟） 图 2掘进机自动截割控制逻辑示意图 Research and Application of Intelligent Control System of Rocker Arm Zhou Xiaotong （Luyukou Coal Mine of Taiyuan Coal Gasification Group Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030203） Abstract Because of the complex geological conditions in coal mine, the traditional cutting mechanism of roadheader is controlled by manual, but there are high labor intensity and low control efficiency, so it is easy to break the roof of the cutting mechanism of roadheader, which has a great influence on the safety of roadheader operation. Based on this, a new automatic control system of cutting mechanism of roadheader is proposed, which can realize automatic control of cutting operation of roadheader, automatically detect cutting state in cutting process, adjust cutting speed and feed speed of roadheader, can improve cutting efficiency of roadheader under the premise of ensuring roadheader safety, and has great application and popularization value. Key words roadheader; cutting mechanism; cutting perance 截割轮廓水平边界位置 回转油缸内置位移传感器 比例放大板 比例放大板 回转台回转油缸 截割臂升降油缸 回转油缸开闭 控制信号 回转油缸 阀门流量 升降油缸开闭 控制信号 升降油缸 阀门流量 升降油缸内置位移传感器 截割轮廓垂直边界位置 负 载 敏 感 式 多 路 比 例 换 向 阀 组 比较 比较 截 割 头 232