趙 剛

（西山煤電集團官地礦，山西 太原 030053）

引言

據(jù)統(tǒng)計表明，我國煤礦綜采工作面的生產(chǎn)效率可達90%，而掘進工作面的生產(chǎn)效率僅為49%。在實際生產(chǎn)中綜采效率和掘進效率的不平衡已嚴重制約煤礦的生產(chǎn)能力。針對掘進工作面，制約其生產(chǎn)效率的關(guān)鍵在于掘進機控制系統(tǒng)無法實時獲取數(shù)據(jù)對設(shè)備進行定位，無法實現(xiàn)對設(shè)備的遠程監(jiān)控等。除此之外，掘進機控制系統(tǒng)的落后還會導(dǎo)致巷道成型質(zhì)量較差，影響后續(xù)采煤效率[1]。因此，本文將著重對掘進機智能化控制系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其控制效果進行驗證。

1 智能化控制需求分析

1.1 控制過程分析

本文以懸臂式掘進機為研究對象，其主要部件分為截割部、行走部以及裝載部，如圖1所示。

如圖1所示，截割部與巖層、煤層直接接觸，由裝運機構(gòu)將截割部截割掉落的巖石、煤炭，通過裝運機構(gòu)的鏟板通過第一運輸機運送出巷道。在實際截割過程中，掘進機截割部可根據(jù)實際工作面情況由升降液壓油缸控制截割頭自身旋轉(zhuǎn)、左右、上下以及伸縮等運動，從而實現(xiàn)對不同位置巖層或煤層的截割任務(wù)。

圖1 掘進機整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 掘進機控制需求的分析

為實現(xiàn)對工作面的高效掘進以及最終成型高質(zhì)量的巷道，要求掘進機控制系統(tǒng)能夠根據(jù)巖層條件、工作面實際情況對截割部、行走部等機構(gòu)實現(xiàn)智能化控制，具體需對掘進機機身姿態(tài)位置參數(shù)的監(jiān)控、對掘進機截割部截割頭姿態(tài)的監(jiān)控、能夠?qū)崟r感知所在位置區(qū)域煤層或巖層的特征、實現(xiàn)對斷面的自動成型控制以及實現(xiàn)對掘進機的遠程監(jiān)測和控制功能[2]。

1）掘進機機身姿態(tài)位置參數(shù)的監(jiān)測。為保證最終巷道成型質(zhì)量，要求實時掌握掘進機所處的位置及姿態(tài)參數(shù)，本方案將采用高精度捷聯(lián)式慣導(dǎo)和地磁融合共同獲取掘進機姿態(tài)位置參數(shù)的信息。

2）掘進機截割部截割頭姿態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。在掘進機機身位置參數(shù)準確的基礎(chǔ)，在水平回轉(zhuǎn)液壓油缸、垂直升降液壓油缸以及伸縮液壓油缸的共同控制下保證其截割部截割頭姿態(tài)參數(shù)的準確才能夠保證巷道成型的質(zhì)量。本方案將采用磁致伸縮式位移傳感器和傾角儀實現(xiàn)對截割頭截割部姿態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。

3）煤巖特征的感知。該項控制需提取掘進機由空轉(zhuǎn)到截割煤層、巖層時截割電機的電流以及各液壓裝置的壓力的變化等特征信號判斷掘進機實時工作對象[3]。

4）實現(xiàn)對工作面斷面的自動成型控制。在實際掘進截割過程中，要求智能控制系統(tǒng)根據(jù)掘進機機身的偏移量，對掘進機液壓控制系統(tǒng)中油缸位移量、壓力、截割速度、電流等參數(shù)的獲取實現(xiàn)對掘進機截割部截割頭速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制，實現(xiàn)對斷面成型的自動化控制。

5）遠程監(jiān)測控制。要求操作人員可在地面實現(xiàn)對掘進機工作面狀態(tài)的監(jiān)測和控制。

2 掘進機智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合掘進機智能化控制需求和控制目的，可通過DSP處理器、DSP處理器+CPLD系統(tǒng)、DSP+FPGA控制三種控制系統(tǒng)實現(xiàn)。經(jīng)對比分析可知：

1）基于DSP處理器為核心的控制系統(tǒng)存在控制集成度不高，控制邏輯功能少的缺陷；

2）基于DSP處理器+CPLD為核心的控制系統(tǒng)具有豐富的外設(shè)濟源，擁有擴展數(shù)據(jù)采集、外事部通信、精確控制、遠程監(jiān)控等模塊，此外，該控制系統(tǒng)的編程難度低，對應(yīng)的電路設(shè)計簡單；

3）基于DSP+FPGA控制系統(tǒng)存在算法移植困難、研制周期長、研發(fā)成本高等缺陷。

綜上所述，采用以DSP+CPLD為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)對掘進機的智能化控制。

2.1 智能化控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本節(jié)將著重對掘進機智能化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量結(jié)構(gòu)、數(shù)字量采集接口、模擬量采集接口、控制量DA輸出接口、通信接口以及存儲模塊進行設(shè)計，具體如表1所示。

表1 掘進機智能化控制系統(tǒng)的硬件匯總

2.2 智能化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

掘進機智能化控制系統(tǒng)的最終目的是保證設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對斷面的自動成型控制，并保證最終巷道的成型質(zhì)量可支撐下一階段采煤工作的進行[4]。為此，結(jié)合實際生產(chǎn)需求，掘進機智能化控制系統(tǒng)將在合理斷面控制方法的基礎(chǔ)上基于精確的斷面自動成型控制程序?qū)崿F(xiàn)斷面自動成型控制。一般的斷面控制方法流程如圖2所示。結(jié)合斷面自動成型控制程序?qū)崿F(xiàn)對掘進機的智能化控制。斷面自動成型控制程序如圖3所示。

圖2 斷面控制流程

圖3 斷面自動成型控制程序流程圖

3 掘進機智能化控制系統(tǒng)的驗證

掘進機智能化控制系統(tǒng)的最終控制目的是保證巷道的成型質(zhì)量和控制精度，即保證掘進機截割部和行走部能夠根據(jù)工作面的實際情況進行智能化控制，保證其截割路徑能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑準確完成任務(wù)[5]。為此，本文在實驗室搭建如圖4所示的實驗平臺對智能化控制效果進行驗證。

圖4 實驗室驗證平臺

如下頁圖5所示，截割部截割頭實際軌跡與理論軌跡幾乎重合，說明所設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)能夠精準控制截割頭的位置，實現(xiàn)斷面的自動成型控制。

圖5 截割頭實際軌跡與理論軌跡的對比

4 結(jié)語

掘進機為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其掘進效率和掘進質(zhì)量直接影響采煤階段的生產(chǎn)效率。當(dāng)前，我國煤礦普遍存在掘進效率和采煤效率不匹配的問題。為此，本文以DSP+CPLD控制器為核心設(shè)計掘進機智能化控制系統(tǒng)，經(jīng)實驗室搭建驗證平臺試驗可知，所設(shè)計的掘進機智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對截割頭的精準控制，即實現(xiàn)對截割頭的斷面自動成型控制。