伍普照

(株洲中車時(shí)代裝備技術(shù)有限公司，湖南省株洲市，412000)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

伍普照

(株洲中車時(shí)代裝備技術(shù)有限公司，湖南省株洲市，412000)

為了實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)不同煤巖的智能截割，提出了懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)，分析了該控制系統(tǒng)的控制策略，詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及智能截割控制方法。實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)可靠性高、實(shí)時(shí)性好，能夠滿足懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割的需求。

懸臂式掘進(jìn)機(jī) 智能截割 控制系統(tǒng) 自動換檔

目前，發(fā)達(dá)國家掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家對掘進(jìn)機(jī)的研究與制造朝著操作簡便化、智能化以及設(shè)備和操作人員安全化等方向發(fā)展。德國一家公司生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用了遙控技術(shù)，掘進(jìn)機(jī)本體上不再設(shè)置司機(jī)的操作位置，且全部采用電液控制，直接通過遙控器來完成整個掘進(jìn)機(jī)的操作。

我國掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，雖然可靠性較高，但是功能還有待完善。現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)截割控制絕大部分還是采用常規(guī)的工頻控制，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)巷道時(shí)，因地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，只能依靠人工操作以及程序控制截割臂擺動速度來控制截割，或者通過切換雙速電機(jī)的檔位來適應(yīng)掘進(jìn)機(jī)的負(fù)載變化，這樣不但掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)性較差，而且容易導(dǎo)致截割電機(jī)過載或者造成設(shè)備沖擊，從而大大縮短掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。 基于此，將變頻技術(shù)與智能控制技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)截割控制上，設(shè)計(jì)了一個較為智能和高效的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)截割電機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)載變化來調(diào)整截割頭的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)煤和半煤巖硬度實(shí)現(xiàn)智能截割，從而自動適應(yīng)復(fù)雜的截割工況。

1 智能截割的控制策略

目前，絕大部分掘進(jìn)機(jī)還是采用傳統(tǒng)的工頻截割控制方式，截割電機(jī)采用直接啟動的方式，通過控制截割臂的擺動速度來適應(yīng)復(fù)雜的工況；還有的截割電機(jī)采用雙速電機(jī)(一般是4/8極雙速電機(jī))，通過人為換檔或通過簡單的程序換檔來應(yīng)對截割負(fù)載的變化。然而，這些方法難以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時(shí)雙速電機(jī)速度差較大，高低檔位的“硬”切換也給掘進(jìn)機(jī)的變速箱等傳動部件帶來了較大的沖擊，頻繁切換會大大縮短機(jī)械壽命。

與常規(guī)截割控制不同，智能截割控制則是從整個截割系統(tǒng)的角度來考慮：

(1)截割電機(jī)。截割電機(jī)采用某大型電機(jī)制造廠家專為掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的變頻電機(jī)，電機(jī)額定電壓為1140 V，電機(jī)功率為200 kW。截割電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖1所示。

圖1 截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線

(2)截割變頻器。截割變頻器在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能，使得截割變頻器的最大輸出轉(zhuǎn)矩為截割變頻電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速在其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線上對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制輸出時(shí)，增加轉(zhuǎn)矩限幅環(huán)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)矩在截割電機(jī)轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線以內(nèi)。截割變頻器增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能流程示意圖如圖2所示。

圖2 截割變頻器增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能流程示意圖

根據(jù)變頻器的多段速功能設(shè)置高速檔、中速檔和低速檔3個檔位，高速檔適用于煤和半煤巖，中低速檔適用于半煤巖和煤巖。從圖1可以看出，高速檔截割電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩較小和速度較高的特點(diǎn)，能夠保證掘進(jìn)機(jī)的高效率；中速檔和低速檔則可使截割電機(jī)降速增扭，提高掘進(jìn)機(jī)的破巖能力。

(3)主控制器。主控制器根據(jù)截割變頻電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來自動切換截割變頻器的工作檔位，這樣既能保證高效率又能提高破巖能力，同時(shí)變頻器的速度檔切換與雙速電機(jī)檔位切換不同，切換過程是一種平滑地速度變換，是一種“軟”切換，可以頻繁地進(jìn)行切換。

當(dāng)煤巖硬度驟然增加時(shí)(截割負(fù)載快速增大時(shí))，截割變頻器因加入轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能不會因負(fù)載快速增大而過載跳閘，此時(shí)系統(tǒng)能夠自動向低檔換檔，以應(yīng)對負(fù)載的突增；當(dāng)煤巖硬度驟然減小時(shí)(截割負(fù)載快速減小時(shí))，此時(shí)系統(tǒng)能夠自動向高檔換檔，以應(yīng)對負(fù)載的突減。正是因?yàn)榻馗钭冾l器能夠自動適應(yīng)不同煤巖復(fù)雜工況的這種特性，使得掘進(jìn)機(jī)自動保持強(qiáng)大的破巖能力和高效工作，從而實(shí)現(xiàn)智能截割。

2 智能截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能截割控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能截割控制系統(tǒng)為上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)方式，上位機(jī)(顯示屏)監(jiān)控，下位機(jī)以主控制器為控制核心；顯示屏與主控制器、變頻器、控制按鈕等采用目前煤礦行業(yè)應(yīng)用非常普遍的CAN總線通訊方式；執(zhí)行設(shè)備等現(xiàn)場設(shè)備直接連接至主控制器或變頻器，從而形成整個控制系統(tǒng)。主控制器通過CAN總線與截割變頻器進(jìn)行通訊控制，實(shí)時(shí)讀寫變頻器的運(yùn)行參數(shù)，采用250 Kbps的通信速率實(shí)時(shí)性高；截割變頻器控制截割變頻電機(jī)，并實(shí)時(shí)采取截割變頻電機(jī)的速度信號；截割變頻器工作狀態(tài)及重要參數(shù)通過顯示屏顯示。智能截割控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能截割控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

CAN總線屬于串行通信網(wǎng)絡(luò)，與普通的RS232C和RS485等串行通信方式相比，CAN總線在數(shù)據(jù)通信上具有較高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(通信速率為5 Kbps以下)，通信速率最高可達(dá)1 Mbps(通信距離最長為40 m)；顯示屏選用德國IFM公司的5.7"顯示屏，具有CAN 2.0接口；主控制器選用芬蘭EPEC公司的EPEC2023，具有CAN 2.0接口；防爆箱內(nèi)控制按鈕選用施耐德公司的控制按鈕，同時(shí)配置一塊具有CAN 2.0接口的DI模塊；控制按鈕按功能設(shè)置截割啟停、高速檔、中速檔、低速檔以及手動/自動等，按下截割啟停后，系統(tǒng)默認(rèn)為手動模式高速檔位，該模式下可以手動任意切換檔位，主要用于巷道修邊和維護(hù)維修等工況，當(dāng)按下自動按鈕則系統(tǒng)自動進(jìn)入自動換檔模式，同時(shí)操作箱的顯示屏上顯示為自動換檔模式；截割變頻器采用株洲中車時(shí)代裝備技術(shù)有限公司完全自主研發(fā)的變頻器，配備CAN 2.0接口卡；截割電機(jī)采用專為掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的變頻電機(jī)；截割電機(jī)上的速度傳感器采用中國煤炭科工集團(tuán)上海研究院生產(chǎn)的本安型傳感器。

2.2 智能截割的控制方法

截割變頻器在轉(zhuǎn)速模式下工作，即按給定的速度運(yùn)行，3個速度檔分別對應(yīng)3個實(shí)際的給定速度。

一般情況下，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式的變頻器工作原理為：當(dāng)速度給定值不變的運(yùn)行工況下，負(fù)載增大時(shí)，截割電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會隨著負(fù)載增大而增大，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；同樣，負(fù)載減小時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩也會隨著負(fù)載減小而減小。當(dāng)負(fù)載突增且比較大時(shí)，截割變頻器容易出現(xiàn)過流故障；當(dāng)負(fù)載突減且比較多時(shí)，截割變頻器容易出現(xiàn)過壓故障，這樣截割電機(jī)輸出響應(yīng)較快，輸出特性較“硬”。

正常情況下，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式的變頻器是沒有轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能的。截割變頻器為了實(shí)現(xiàn)自由換檔，需增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能，具體表現(xiàn)為：當(dāng)變頻器工作在某個速度檔位時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩是完全根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線而設(shè)置，什么樣的速度對應(yīng)其相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩，如高檔1500 r/min對應(yīng)1300 N·m，中檔1000 r/min對應(yīng)1980 N·m，低檔500 r/min對應(yīng)3300 N·m；即使當(dāng)前負(fù)載變大，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不夠也還是同樣轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)速開始下降，雖然是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式但受轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線上轉(zhuǎn)矩的限制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩只會隨常速度下降依據(jù)轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線增加，同時(shí)電流也不會急驟增加。

轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線控制功能的增加使截割電機(jī)輸出特性變“軟”，變頻器不會因負(fù)載快速增大而過載跳閘。正是利用此功能，加上CAN總線高速通訊的實(shí)時(shí)性，可以通過主控制器對變頻器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)一定的條件實(shí)現(xiàn)變頻器速度檔位自由切換。

截割變頻器工作時(shí)默認(rèn)在高速檔位運(yùn)行，變頻器在運(yùn)行時(shí)，主控制器通過CAN總線與之通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測截割電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)同時(shí)滿足電流達(dá)到設(shè)定值、轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值、轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的下限值3個條件時(shí)，主控制器將自動執(zhí)行換低速檔程序，以增加截割電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)破巖能力；當(dāng)同時(shí)滿足電流小于設(shè)定值、轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定值、轉(zhuǎn)速等于當(dāng)前檔位的速度值3個條件時(shí)，主控制器將自動執(zhí)行換高檔程序，以提高截割電機(jī)的截割效率。智能截割控制系統(tǒng)自動換檔邏輯如圖4所示。

圖4 智能截割控制系統(tǒng)自動換檔邏輯

2.3 智能截割控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能截割控制，首先需要對CAN總線參數(shù)進(jìn)行初始化，包括讀寫CAN總線報(bào)文的ID號和通訊波特率等，再編寫讀寫變頻器CAN總線報(bào)文子模塊和智能換檔模塊?？刂瞥绦蛑饕–AN通訊初始化模塊、CAN通訊數(shù)據(jù)接收模塊、CAN通訊數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及智能截割換檔模塊這4個程序模塊。

(1)CAN通訊初始化模塊。本模塊主要對CAN的通訊緩沖區(qū)和通訊波特率等通訊參數(shù)進(jìn)行初始化，同時(shí)對讀寫截割變頻器數(shù)據(jù)的CAN數(shù)據(jù)幀進(jìn)行初始化。

(2)CAN通訊數(shù)據(jù)接收模塊。本模塊主要從截割變頻器實(shí)時(shí)讀取電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和故障信號等數(shù)據(jù)，電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速這3個實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不但可以顯示截割電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以閉環(huán)反饋智能截割的換檔數(shù)據(jù)。

(3)CAN通訊數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。本模塊主要將控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送給截割變頻器，包括初始檔位、啟停指令、換檔指令等數(shù)據(jù)，其中換檔指令是智能截割換檔的實(shí)時(shí)控制指令。

(4)智能截割換檔模塊。本模塊由高檔位切換到低檔模塊和低檔位切換到高檔位模塊兩個子模塊組成，將從截割變頻器讀取到的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與換檔閥值實(shí)時(shí)比較，當(dāng)換檔條件滿足時(shí)，輸出換檔指令，以實(shí)現(xiàn)自動換檔。

3 智能截割控制系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果及分析

智能截割控制系統(tǒng)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)EBZ200Z上裝機(jī)，并于2016年3月-4月在山西壽陽段王集團(tuán)友眾煤業(yè)有限公司進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中截割變頻器剛開始主要對變頻器的性能進(jìn)行驗(yàn)證，沒有增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能，多次出現(xiàn)變頻器跳閘停機(jī)。通過查看變頻器故障波形與數(shù)據(jù)，當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，截割電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，超過3000 N·m，并有達(dá)到截割電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩4120 N·m的情況，造成過流跳閘。

驗(yàn)證變頻器性能后，在截割變頻器中增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能再次進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)，同時(shí)對換檔參數(shù)值及控制時(shí)間不斷地進(jìn)行調(diào)整。掘進(jìn)機(jī)在煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)在均勻進(jìn)給的條件下能實(shí)現(xiàn)自動換檔。2016年4月11日，從截割變頻器中下載了換檔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從高檔位自動切換至中檔位的試驗(yàn)波形如圖5所示，從中檔位自動切換至高檔位的試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖5 高檔自動切換至中檔的試驗(yàn)波形

圖6 中檔自動切換至高檔的試驗(yàn)波形

由圖5和圖6可以看出，在負(fù)載增加時(shí)，截割變頻器降檔前的速度波動式下降，當(dāng)同時(shí)滿足電流增加到125 A、轉(zhuǎn)矩增加到1390 N·m、速度下降到1400 r/min這3個條件時(shí)，截割變頻器自動降檔，且在自動降檔過程中比較平滑；在負(fù)載減小時(shí)，當(dāng)同時(shí)滿足截割變頻器電流下降到115 A、轉(zhuǎn)矩下降到1700N·m、速度為中速檔設(shè)定速度這3個條件時(shí)，截割變頻器自動升檔，因?yàn)樨?fù)載較小，在自動升檔過程中較為平滑。

通過掘進(jìn)機(jī)作業(yè)試驗(yàn)表明，截割變頻器采用常規(guī)的速度閉環(huán)控制，截割電機(jī)輸出特性較 “硬”且響應(yīng)較快，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，容易出現(xiàn)過流或過壓故障；在速度閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)矩包絡(luò)線功能后，截割電機(jī)輸出特性變 “軟”，再加上合適的換檔條件與靈活的換檔邏輯，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)智能截割的功能。

4 結(jié)語

目前智能截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3個速度檔位為固定速度，分別是1500 r/min為高速檔、1000 r/min為中速檔、500 r/min為低速檔。如果實(shí)際應(yīng)用時(shí)再結(jié)合煤巖的地質(zhì)條件，通過靈活地調(diào)整當(dāng)前檔位的目標(biāo)速度，實(shí)際截割效果可能會更好。

從截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性曲線來看，只設(shè)置3個速度檔位并沒有充分發(fā)揮截割電機(jī)的工作特性，如果在目前3個速度檔位不變的基礎(chǔ)上,再增加2個速度檔位，一是在高速區(qū)域增加1個檔位如1800 r/min，以提高掘進(jìn)機(jī)軟煤巖的工作效率；二是在中低速區(qū)域增加1個檔位如750 r/min(理論上速度越低轉(zhuǎn)矩越大，但實(shí)際上受掘進(jìn)機(jī)自重等原因，低速檔速度不能太低)，以增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)破巖能力。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Researchanddesignofintelligentcuttingcontrolsystemforboom-typeroadheader

Wu Puzhao

(Zhuzhou CRRC Times Equipment Technology Co., Ltd., Zhuzhou, Hunan 412000, China)

In order to realize self-adaption intelligent cutting control of boom-type roadheader for different coal and rock, intelligent cutting control system for boom-type roadheader was put forward, its control strategy was analyzed, and its hardware and software design as well as intelligent cutting control method were elaborated. The practical engineering application test showed that the system had high reliability and great real-time performance that could meet the need of intelligent cutting control system for boom-type roadheader.

boom-type roadheader, intelligent cutting, control system, automatic shift

伍普照.懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能截割控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 中國煤炭，2017，43(8):100-104. Wu Puzhao. Research and design of intelligent cutting control system for boom-type roadheader[J] .China Coal，2017，43(8): 100-104.

TD421.5

A

伍普照(1969-)，男，湖南瀏陽人，工程師，現(xiàn)任職于株洲中車時(shí)代裝備技術(shù)有限公司，主要從事變頻器及其自動化系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)工作。