煤礦綜掘工作面懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

煤礦綜掘工作面懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

在我國(guó)的煤炭生產(chǎn)中，懸臂式采礦機(jī)作為一種廣泛使用的采礦設(shè)備發(fā)揮著重要作用。懸掛式采礦機(jī)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步對(duì)發(fā)展全身機(jī)械化開(kāi)采、提高開(kāi)采效率、保障礦山安全生產(chǎn)、減少工人勞動(dòng)成本等技術(shù)的機(jī)械運(yùn)用具有重要意義。雖然我國(guó)掘進(jìn)機(jī)已有長(zhǎng)足發(fā)展,但是還存在如下問(wèn)題:(1)長(zhǎng)期以來(lái)掘進(jìn)機(jī)始終未能解決自身定位和自動(dòng)定向的問(wèn)題,掘進(jìn)時(shí)唯一的坐標(biāo)參考點(diǎn)是激光指向儀打在前方煤壁上的光點(diǎn),掘進(jìn)機(jī)無(wú)法與其建立必然聯(lián)系。(2)掘進(jìn)機(jī)操作自動(dòng)化水平較低,掘進(jìn)機(jī)司機(jī)手動(dòng)操作并根據(jù)感覺(jué)定位和定向,截割斷面超挖和欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重,截割形狀質(zhì)量較差。(3)截割臂擺速手動(dòng)控制期間,擺速低時(shí)會(huì)導(dǎo)致截割效率低下,擺速大時(shí)遇上夾矸會(huì)導(dǎo)致截齒和擺動(dòng)油缸損壞,最終導(dǎo)致截割電機(jī)使用壽命降低。(4)掘進(jìn)機(jī)本地控制的自動(dòng)化控制和智能化控制水平較低,不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè),因而難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)綜掘工作面的少人化和無(wú)人化,特別是掘進(jìn)高突(瓦斯突出、水突出等)工作面時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。(5)掘進(jìn)面工作環(huán)境惡劣,用工人數(shù)多,勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作效率低,安全隱患多。為此,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、石家莊煤礦機(jī)械責(zé)任有限公司、冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)課題“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”,目標(biāo)是以掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的關(guān)鍵技術(shù)為核心,重點(diǎn)研究煤巖巷道懸臂式掘進(jìn)裝備可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù),開(kāi)發(fā)出配裝國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),研制的可視化掘進(jìn)機(jī)遙控裝備能夠滿(mǎn)足煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)和煤礦安全規(guī)程的要求。1遠(yuǎn)程可視化控制措施本課題研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為“三位一體、七大系統(tǒng)”。“三位一體”包括近地點(diǎn)遙控、井下遠(yuǎn)程可視化遙控以及地面遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)?！捌叽笙到y(tǒng)”包括自動(dòng)截割成形、擺速自適應(yīng)控制、位姿監(jiān)測(cè)、定向掘進(jìn)、可視化遠(yuǎn)程遙控、視頻監(jiān)控以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷,掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體組成框圖如圖1所示。1.1斷面自動(dòng)截割成形該系統(tǒng)是由可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC+工控機(jī)面板組成的高性能機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),與高精度油缸內(nèi)置位移傳感器一起組成了掘進(jìn)機(jī)截割頭空間位置高精度自動(dòng)控制系統(tǒng)。在懸臂式掘進(jìn)機(jī)斷面自動(dòng)截割成形系統(tǒng)V1.0自編軟件的控制下,通過(guò)檢測(cè)和控制兩對(duì)升降和轉(zhuǎn)動(dòng)油缸的伸縮量精確控制截割頭空間位移軌跡,實(shí)現(xiàn)了任意斷面形狀的自動(dòng)截割成形,使掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割出規(guī)整斷面,斷面自動(dòng)截割成形邊界檢測(cè)最大誤差<50mm。該系統(tǒng)還設(shè)有斷面存儲(chǔ)及截割軌跡實(shí)時(shí)顯示功能,還可在上述功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于智能檢測(cè)的記憶截割等功能。自動(dòng)刷幫功能可取代人工修整斷面邊界,更大程度地提高斷面成形質(zhì)量。該系統(tǒng)的使用消除了掘進(jìn)機(jī)手工操作造成的“超挖”和“欠挖”情況,顯著地提高了掘進(jìn)效率,減低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。1.2截割臂控制設(shè)計(jì)該系統(tǒng)包括油缸位移傳感器和電流變送器,在掘進(jìn)機(jī)截割臂擺速自適應(yīng)控制系統(tǒng)V1.0自編軟件的控制下,以掘進(jìn)機(jī)電氣控制設(shè)備的電流過(guò)載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),通過(guò)檢測(cè)截割臂驅(qū)動(dòng)油缸伸縮長(zhǎng)度及其伸縮變化率、截割電機(jī)電流值及其電流變化率等多種參數(shù),對(duì)自動(dòng)截割過(guò)程中遇到的不同工況進(jìn)行邏輯識(shí)別,自適應(yīng)控制截割臂擺速及方向。該系統(tǒng)包括滿(mǎn)速功能、基于PID技術(shù)的擺速自適應(yīng)控制功能、預(yù)防悶車(chē)功能和車(chē)體減振防擺功能?？刂平馗铍娏鳌?.2倍額定電流,PID控制反應(yīng)時(shí)間小于0.4s且具有一定的抗干擾能力。另外,本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)液壓功率與截割功率匹配的截割臂無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng),可多參數(shù)判斷和處理悶車(chē)及遇到硬質(zhì)點(diǎn)的情況。1.3自動(dòng)位姿檢測(cè)該系統(tǒng)研究提出了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)檢測(cè)原理及方法,實(shí)現(xiàn)了機(jī)身5個(gè)位姿參數(shù)(水平偏角、水平偏距、俯仰角、橫滾角、車(chē)前距)的絕對(duì)法自動(dòng)檢測(cè)和顯示。由自主研發(fā)的1臺(tái)礦用隔爆型扇形激光發(fā)射儀(如圖2)與2臺(tái)礦用本安型掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測(cè)儀(如圖3)測(cè)量出機(jī)身水平偏角和水平偏距,由1臺(tái)雙軸傾角傳感器測(cè)量出機(jī)身俯仰角和橫滾角,由2臺(tái)礦用本安型激光測(cè)距儀測(cè)量出車(chē)前距。水平偏角和偏距的有效檢測(cè)距離為30～100m,水平偏角檢測(cè)誤差<0.1°,俯仰角及滾動(dòng)角檢測(cè)誤差<0.05°,車(chē)前距測(cè)距誤差<6mm。該系統(tǒng)能夠在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身5個(gè)位姿參數(shù),并在工控面板上顯示出掘進(jìn)機(jī)在煤巷內(nèi)的實(shí)際位姿偏差,為自動(dòng)定向掘進(jìn)控制系統(tǒng)提供了必需的位姿參數(shù)信息。本課題研發(fā)的機(jī)身位姿參數(shù)在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)首次在我國(guó)井下煤巷掘進(jìn)工況中實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿誤差的絕對(duì)法測(cè)量,避免了相對(duì)法測(cè)量過(guò)程中誤差積累問(wèn)題,技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先,為自動(dòng)定向掘進(jìn)控制奠定了基礎(chǔ)。1.4差自動(dòng)消除控制系統(tǒng)該系統(tǒng)在前鏟板加裝1臺(tái)礦用傾角傳感器,在后支撐油缸中加裝2臺(tái)內(nèi)置位移傳感器,并在控制鏟板和支撐伸出動(dòng)作的油路中安裝2臺(tái)油路壓力傳感器,通過(guò)掘進(jìn)機(jī)位姿誤差自動(dòng)消除控制系統(tǒng)V1.0自編軟件實(shí)時(shí)控制鏟板和支撐油缸伸縮量,補(bǔ)償俯仰角。在截割過(guò)程中,再由上述軟件控制截割臂對(duì)水平偏距、水平偏角和俯仰角引入的誤差進(jìn)行補(bǔ)償以形成正確斷面邊界,巷道兩邊界最大誤差<50mm,掘進(jìn)定向與激光指向之間的最大誤差<50mm/20m。同時(shí),在工控機(jī)面板上可實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)各位姿誤差大小。該系統(tǒng)提高了機(jī)身?yè)蔚胤€(wěn)定性,消除了機(jī)身位姿誤差對(duì)截割斷面邊界成形的影響,且因水平偏角和偏距偏差是絕對(duì)法測(cè)量,無(wú)誤差累計(jì),保證了高精度定向掘進(jìn)。1.5s-713c的rs-1263-n該系統(tǒng)由機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、Linux操作系統(tǒng)以及CAN總線(xiàn)通訊組成。監(jiān)控軟件平臺(tái)通過(guò)光纖與機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)信號(hào)開(kāi)、油泵啟停、自動(dòng)截割、自動(dòng)刷幫和截割暫停等動(dòng)作,使用10/100M以太網(wǎng)口、1.2～19.2kbps的RS-485/CAN,控制中心總響應(yīng)時(shí)間<0.1s,控制距離為500～1000m,實(shí)際最大控制距離取決于通訊光纖的長(zhǎng)度。該系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)的各種狀態(tài)信息(如油缸壓力、油溫、截割電機(jī)電壓電流、機(jī)身位姿、截割頭位置等),通過(guò)信息的綜合分析評(píng)估掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)與健康狀況,保障掘進(jìn)機(jī)的安全有效運(yùn)行。掘進(jìn)機(jī)用遙控手柄發(fā)射高頻信號(hào),經(jīng)過(guò)掘進(jìn)機(jī)機(jī)用遙控接收器接收后,經(jīng)由RS232與光纖轉(zhuǎn)換模塊傳入機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程遙控功能,系統(tǒng)實(shí)際控制距離取決于光纖長(zhǎng)度,控制距離遠(yuǎn)大于500～1000m。當(dāng)井下工況較為復(fù)雜時(shí),在距離掘進(jìn)面一定距離的遠(yuǎn)程監(jiān)控硐室內(nèi),該系統(tǒng)可以完全實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測(cè)以及鍵盤(pán)鼠標(biāo)或遙控手柄的一鍵式遙控,達(dá)到綜掘工作面掘進(jìn)過(guò)程的無(wú)人化,消除因突水或瓦斯突出等突發(fā)事故造成的人身安全隱患,解決了高突工作面的掘進(jìn)安全難題。1.6wacec-1333.1和wetc-126lh-線(xiàn)該系統(tǒng)包括截割臂和鏟板左右兩側(cè)的4臺(tái)有線(xiàn)礦用隔爆型網(wǎng)絡(luò)攝像儀和機(jī)身上側(cè)用于觀(guān)察一運(yùn)和二運(yùn)狀態(tài)的2臺(tái)無(wú)線(xiàn)礦用隔爆型網(wǎng)絡(luò)攝像儀。攝像儀具體參數(shù)為Watec-137LH黑白CCD,水平清晰度為570TVlines,最低照度達(dá)0.002LuxF1.4,無(wú)線(xiàn)可視傳輸距離可達(dá)150m。該系統(tǒng)能夠多角度實(shí)時(shí)傳輸掘進(jìn)機(jī)本地工作圖像至遠(yuǎn)程控制點(diǎn),并具有攝像儀抗振性能好和圖像延時(shí)時(shí)間短等特點(diǎn)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在多塵、振動(dòng)條件下掘進(jìn)機(jī)工況多角度視頻監(jiān)控,可將6路(2路無(wú)線(xiàn)、4路有線(xiàn))視頻信號(hào)傳至后方控制硐室或地面任何控制點(diǎn)。1.7實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控該系統(tǒng)由機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、井下環(huán)網(wǎng)以及裝有基于組態(tài)王的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端計(jì)算機(jī)組成。掘進(jìn)機(jī)各監(jiān)測(cè)參數(shù)由機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采集處理,通過(guò)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊進(jìn)入礦井環(huán)網(wǎng)。該系統(tǒng)可在地面任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)等信息,并具有遠(yuǎn)程故障診斷和報(bào)警功能,還具有歷史數(shù)據(jù)保存、顯示和打印功能。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地面任意地點(diǎn)可視化監(jiān)測(cè)及診斷,所有狀態(tài)參數(shù)和控制參數(shù)以及井下視頻圖像都可觀(guān)測(cè)和記錄,保障掘進(jìn)機(jī)的安全有效運(yùn)行。2試驗(yàn)系統(tǒng)及巷道布置本課題樣機(jī)為石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司出產(chǎn)的EBZ200半煤巖掘進(jìn)機(jī)(如圖4所示)。井下工業(yè)性試驗(yàn)在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)云駕嶺煤礦開(kāi)展,其系統(tǒng)布置及巷道情況圖如圖5所示。本井下試驗(yàn)開(kāi)展期間,各個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定,功能可靠,技術(shù)和性能參數(shù)達(dá)到了合同要求,有效提高了掘進(jìn)效率和斷面截割成形質(zhì)量,減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,保障了掘進(jìn)施工的高效和安全。井下試驗(yàn)情況如圖6～8所示。3系統(tǒng)運(yùn)行效果該項(xiàng)目研究成果已成功應(yīng)用于石煤機(jī)縱軸式EBZ160、EBZ200掘進(jìn)機(jī)和橫軸式硬巖EBH300(A)掘進(jìn)機(jī)等多種機(jī)型上,并在官板烏素礦、平煤十二礦和云駕嶺礦等進(jìn)行了工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,應(yīng)用效果良好,創(chuàng)造了月進(jìn)尺1003m的記錄。目前,石煤機(jī)生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)已有60多臺(tái)選用本課題的研發(fā)成果,使用后受到了用戶(hù)的好評(píng)和歡迎,很多用戶(hù)積極要求加裝掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。自2009年以來(lái),使用本課題研發(fā)成果生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)的銷(xiāo)售收入超過(guò)2億元,制造廠(chǎng)商和煤礦用戶(hù)已累計(jì)新增利潤(rùn)28600萬(wàn)元,節(jié)支總額約為7200萬(wàn)元。加裝該技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率和巷道成形質(zhì)量明顯提高,每臺(tái)設(shè)備進(jìn)尺月均增加100m,全年累計(jì)增加進(jìn)尺約100萬(wàn)m,這對(duì)提高煤礦生產(chǎn)效率和煤炭產(chǎn)量效果顯著。4掘進(jìn)控制性能(1)本課題研制成功的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了截割頭空間位置的精確控制、截割臂擺速自適應(yīng)控制、位姿參數(shù)