毛凱凱
(晉能控股煤業(yè)集團晉城事業(yè)部五人組, 山西 晉城 048000)
掘進機在截割作業(yè)中一般采用人工截割控制模式,截割效率和巷道成型質(zhì)量嚴重依賴于作業(yè)人員的經(jīng)驗和熟練程度,受井下惡劣環(huán)境和人員疲勞度的影響,極易產(chǎn)生截割不到位的情況[1],從而影響井下煤炭開采效率。目前一些新型的掘進設(shè)備開始采用記憶截割控制,初步實現(xiàn)了井下巷道的無人化掘進,但該模式的控制邏輯復雜,難以應用在老式掘進機上,因此本文提出了一種新的基于PID 控制的簡易截割控制系統(tǒng),通過預先對煤層分布情況的探測,將地質(zhì)條件數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中,然后根據(jù)掘進作業(yè)需求,以掘進方向上的位置坐標為基礎(chǔ),設(shè)定在不同位置時的截割姿態(tài),進而實現(xiàn)對掘進機截割作業(yè)過程中的自動控制[1]。
在控制系統(tǒng)中輸入截割控制邏輯后,對掘進機自動截割的控制主要是通過調(diào)節(jié)搖臂升降和機身回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。掘進機自動截割作業(yè)時,根據(jù)調(diào)節(jié)信號控制各執(zhí)行油缸的動作,對執(zhí)行油缸的控制主要是通過比例放大器調(diào)節(jié)各個控制閥開口的大小來實現(xiàn)的,對搖臂升降和搖臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)的控制是為了讓截割機構(gòu)按照設(shè)定的截割路徑進行截割作業(yè),此時設(shè)置在掘進機上的各類傳感器對掘進機的工作狀態(tài)進行監(jiān)控,將監(jiān)測信息和系統(tǒng)中理論數(shù)據(jù)進行對比,從而判斷截割作業(yè)的偏差情況,然后根據(jù)偏差量進行調(diào)整,保證自動截割作業(yè)的精確性。該控制方案的優(yōu)點在于截割機構(gòu)能夠從任意位置開始進行截割作業(yè),無需進行專門的找正,從而保證了井下截割作業(yè)的靈活性,該掘進機簡易自動截割控制原理如圖1所示[2]。
圖1 簡易截割控制邏輯示意圖
由于掘進機作業(yè)環(huán)境復雜,且長期在劇烈沖擊作用下工作,因此對截割控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可靠性要求很高。經(jīng)過多次試驗驗證,最終確認了該截割控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示[3]。
由圖2 可知,該截割控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括了主、從PID 控制器,監(jiān)測傳感器、電磁控制閥以及CAN 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),從PID 控制器主要用于對掘進機液壓控制系統(tǒng)中的各類電磁閥的動作進行控制,根據(jù)截割作業(yè)時的不同需求控制各電磁閥的開度和動作方向,滿足截割作業(yè)時不同截割速度、截割方向快速變化的需求。主PID 控制器主要是接收各監(jiān)測傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,對掘進機的位置和姿態(tài)進行判斷,確定下一階段掘進機的動作路徑。在該控制系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)信息的傳遞均通過CAN 數(shù)據(jù)總線進行,滿足在井下惡劣環(huán)境中數(shù)據(jù)通信安全性的需求。
圖2 截割控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖
該數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布置合理,結(jié)構(gòu)緊湊,所有接口均采用了標準通信協(xié)議,能夠快速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換,同時具有很強的擴展性,便于后續(xù)的升級。在工作時系統(tǒng)首先通過各類傳感器設(shè)備對掘進機各油缸的行程、俯仰角進行監(jiān)控,然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到主PID 控制器中,完成數(shù)據(jù)信息的分析,確定掘進機的截割姿態(tài),然后將數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)內(nèi)當前的理論截割姿態(tài)進行對比,獲取各個數(shù)據(jù)信息之間的差值,然后獲取各個數(shù)據(jù)的調(diào)整量,通過CAN 數(shù)據(jù)總線將信息傳遞到從PID 控制器中,經(jīng)過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換后發(fā)出調(diào)節(jié)信號,控制各電磁閥動作,滿足調(diào)整需求,從而實現(xiàn)對掘進機截割作業(yè)的自動控制。
PID 控制是一種邏輯性很強的線性控制器,在工作時系統(tǒng)將測定的掘進機狀態(tài)偏差量輸入到PID控制器中,系統(tǒng)利用設(shè)定好的控制邏輯對數(shù)據(jù)進行分析、修正,然后輸出控制信號,控制各執(zhí)行機構(gòu)的動作,為了確保調(diào)節(jié)的精確性,系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制的原理,在調(diào)整過程中不斷地對數(shù)據(jù)進行修正,從而確保自動截割作業(yè)過程中的控制精確性,PID 控制邏輯如圖3 所示[4],其中:e(t)表示偏差量;u(t)表示修正后的調(diào)節(jié)控制量;y(t)表示輸出的控制信號。
為了對簡易自動截割控制系統(tǒng)的應用效果進行分析,本文在現(xiàn)有掘進機基礎(chǔ)上對其截割控制系統(tǒng)進行優(yōu)化,然后利用其進行自動截割作業(yè),對截割作業(yè)過程中的截割路徑進行跟蹤測量結(jié)果如圖4所示。
由跟蹤測量結(jié)果可知,掘進機簡易自動截割控制系統(tǒng)的控制精度高、截割一致性好,截割偏差約±1°,有效地提升了截割時的巷道成型質(zhì)量,根據(jù)統(tǒng)計該簡易截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕陆馗钚侍嵘?9.6%,巷道一次截割成型率提升47.8%,對提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。
圖3 PID 控制邏輯示意圖
圖4 自動截割控制路徑示意圖
針對目前掘進機截割控制系統(tǒng)控制穩(wěn)定性差、巷道截割質(zhì)量低,嚴重影響巷道掘進效率的問題,本文提出了一種簡易的自適應截割控制系統(tǒng),根據(jù)分析表明:
1)簡易截割控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于,截割機構(gòu)能夠從任意位置開始進行截割作業(yè),無需進行專門的找正,從而保證了井下截割作業(yè)的靈活性;
2)該數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)布置合理,結(jié)構(gòu)緊湊,所有接口均采用了標準通信協(xié)議,能夠快速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換,同時具有很強的擴展性,便于后續(xù)的升級;
3)該簡易截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕陆馗钚侍嵘?9.6%,巷道一次截割成型率提升47.8%,對提升井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義。