悬臂式掘进机智能截割控制系统设计

郝友宾

(西山煤电集团公司 西铭矿，山西 太原 030052)

0 引言

悬臂式掘进机作为煤矿井下巷道成形作业的主要设备，提高其控制精度及自动化水平是保障巷道成型质量、降低掘进成本的关键[1-3]。因此掘进设备的智能控制技术是目前国内外的研究焦点[4]。悬臂式掘进机智能控制技术主要包含掘进机位姿自动检测、机身定位、巷道截面成形和远程状态监测等多个方面，其主要目的是将自动化技术运用至掘进机截割部运动控制中[5]。目前国外针对掘进机无人值守及相应自动控制系统等关键技术的研究相对成熟，受技术封锁及进口设备价格昂贵等因素影响，国内大部分煤矿仍采用传统的人工控制方式，无法实现综掘工作面的智能化控制。

掘进机的人工控制主要依靠操作人员通过按钮操作和肉眼识别配合完成，智能化程度低下、井下人员及设备安全性较低，工作量大大增加。同时巷道成形质量及效率严重受人为因素影响，导致掘进作业效率低下、截割断面成形质量差。针对上述问题，本文设计了一套以PLC为控制核心的悬臂式掘进机智能截割控制系统，可实现掘进机截割部的自动截割控制、截割头路径规划及运行状态远程监控等功能，具有控制精度高、通讯性能良好、响应速度快等优点。

1 智能截割控制系统设计总体方案

1.1 系统功能需求分析

智能截割控制系统的主要功能是对掘进机截割部实施有效的自动控制，通过上位机控制指令实现对掘进机截割头的移动、伸缩及摇臂上下摆动的远程控制，从而代替人工截割控制。具体功能需求分析如下：

(1) 系统控制方式为自动+手动组合模式。系统可根据控制算法通过控制程序控制掘进机自动完成掘进工作，还可无扰动切换至手动模式，通过地面控制中心的操作台实现人工按钮操控。

(2) 掘进机截割部自动截割控制功能。控制系统可通过电液比例阀对掘进机截割部各油缸进行智能控制，从而实现掘进机截割头的移动方向、伸缩距离及摇臂的摆动方向、摆动速度的自动调控。

(3) 掘进机自适应截割功能。由于井下地质环境复杂，不同质地的煤层会对掘进机造成负荷冲击、电机过载等问题。控制系统可根据负载变化实时调节截割头的转速及摆动速度，实现掘进机的自适应截割，降低截割头齿轮及液压机构损耗[6-8]。

(4) 运行参数实时采集功能。控制系统可对掘进机的工况参数进行实时采集，并通过上位机实现显示、处理分析、数据管理及打印报表等功能，同时所采集数据可为系统提供控制反馈，通过工况参数对掘进机运行状态进行实时调节。

(5) 故障报警及保护功能。当监测参数或系统出现异常时，系统可及时进行故障诊断并报警，同时系统还具备电机过流保护、过负荷保护等保护功能。

1.2 系统架构

根据上述功能需求分析，本文对掘进机智能截割控制系统进行架构。该控制系统采用模块化思想进行设计，按照不同运行功能将整个系统划分为各功能模块，主要包括PLC主控模块、上位机监控模块、运行参数监测模块和执行机构模块等部分。智能截割控制系统总体结构如图1所示。

PLC主控模块是本系统的控制核心，主要负责运行参数的采集与上传，并通过CAN总线和RS232分别与上位机和手动模式下的遥控器进行通讯，实现控制指令的上传下达。运行参数监测模块主要由检测掘进机截割部截割头、截割臂、油缸及截割电机等主要部件参数的各类传感器组成，用于掘进机运行状态实时监测与控制反馈。执行机构模块主要由电液比例阀和截割部油缸、截割头及截割臂等设备组成，在接收到控制指令后执行相应掘进操作。系统手动模式下由人工通过遥控器和操作台完成对掘进机的操控，遥控器通过RS232与PLC主控器实现通讯。

图1 智能截割控制系统总体结构图

当系统运行时，首先由运行参数监测模块中的各类传感器对掘进机工况参数进行实时采集，主要包括截割部截割电机的电压电流值、掘进机机身与截割头的位姿、油缸的油压和油温及位移参数等。随后运行参数通过PLC输入单元上传至主控器中，然后由PLC将各运行数据传输至上位机监控模块进行实时显示及分析处理，再由上位机向PLC下达控制指令，最终通过PLC主控器的A/D模块输出相应数字控制信号控制电液比例阀对截割部进行液压调控，实现掘进机的自动截割。

2 硬件方案设计

掘进机智能截割控制系统的硬件部分主要由PLC主控模块、上位机监控模块以及运行参数监测模块中的各类传感器构成。其中上位机监控模块包括位于远程控制室内的操作台及工业计算机，操作台可用于手动模式下对掘进机进行控制，工业计算机用于运行人机交互界面及控制系统，实现掘进机的远程控制及参数监测。控制系统硬件主要选型及设计方案如下：

PLC主控器作为本系统的控制核心，其可靠性、数据解析能力及处理速度等性能指标对系统控制精度及效果影响较大。因此本文选用西门子S7-1500可编程控制器作为系统主控模块，S7-1500 PLC的位指令最短运算时间可达1 ns，浮点运算指令最短运算时间可达10 ns，其背板总线传输速度为S7-400的40倍。PLC的CPU型号选用1515-2PN，负载电源模块型号选用6EP1333-4BA00(PM 190 W 120/230 VAC)，同时PLC主控模块需要收集运行参数监测模块上传的多组工况参数信号，同时向执行机构输出数字量控制信号，因此PLC主控模块还需配备模拟量及数字量输入输出模块，其选型分别为SM521(DI)、SM522(DO)、SM531(AI)、SM532(AO)。

油缸位移传感器的主要作用是通过对掘进机截割部油缸及滚筒的位移量检测，从而对掘进机位置进行定位，控制系统可根据该数据控制掘进机对截割面边界处进行准确截割。本文采用MTL3本安型磁致伸缩位移传感器来检测油缸的具体行程。MTL3传感器的量程为100 mm～1 200 mm，其线性误差≤0.05%FS，迟滞≤0.001%FS，分辨率可达0.001%，可输出4 mA～20 mA DC、0～5 V DC及0～10 V DC标准信号，可通过RS485进行通讯，满足本系统的位移检测需求。

除了对油缸的伸缩进行精确控制，系统还需对掘进机机身及截割头的位姿进行测量。本文选用GLS-B30高精度激光测距传感器来完成掘进机与矿道之间的间距检测。GLS-B30的测量距离为0～100 m，最高精度可达±2 mm，其供电方式为7 V～24 V外部供电，可输入4 mA～20 mA标准电流信号，并通过RS232或RS485总线实现通讯，可满足本系统对掘进机的位姿测量需求。

3 软件方案设计

当系统软件运行时，首先需对控制系统进行自检、截割参数设置等初始化操作，之后方可运行主控程序及上位机监控界面。完成初始化后，系统根据需求对控制模式进行选择，若选择手动模式，则通过遥控器及远程控制室的操作台对掘进机的截割进行人工按钮控制；当系统处于自动截割模式时，系统首先判断掘进机机身倾角是否超限，若超限则对机身位置进行调整，若未超限则执行自动截割程序。在自动截割程序运行时，需判断掘进机是否过载，若未过载则按照系统内的PID算法向PLC输出相应控制指令控制电液比例阀的输出，从而实现自适应截割。当掘进机截割位置达到预定值时，完成整个截割工作。系统主程序流程如图2所示。

图2 控制系统主程序流程图

4 结束语

本文在对掘进机自动截割控制系统功能需求进行分析的基础上，通过硬件方案的设计选型和软件程序设计对悬臂式掘进机智能截割控制系统进行架构，实现了掘进机的自动截割及自适应截割控制，同时可对掘进机的运行状态进行实时监测，保证掘进机在矿井无人值守下可靠运行。