悬臂式掘进机智能控制系统关键技术

杨阳 1 ， 2

1. 石家庄煤矿机械有限责任公司，河北 石家庄 050000

2. 河北省煤矿机械技术创新中心，河北 石家庄 050000

摘要：本文对悬臂式掘进机智能控制系统的几个关键技术进行了介绍，包括全参数感知系统、掘进机截割控制系统、掘进机自适应控制系统、掘进机远程操作系统等。详细介绍了每个系统的功能和组成，为掘进机的智能化、自动化实现打下了坚实的基础。

1.引言

悬臂式掘进机智能控制系统的关键技术主要包括掘进机全参数感知系统、智能测控软件系统、远程可视化智能操控平台，能实现掘进机井下远程可视化智能控制与井上可视化智能监控。

掘进机全参数感知系统通过激光位姿检测系统、行走轨迹及偏差感知系统、环境参数感知及预警系统和设备状态感知及报警系统对掘进机参数和工作面环境进行全方位的感知，并对异常信号进行报警。掘进机远程智能测控软件系统能够实现机身位姿误差检测、截割头空间轨迹检测、巷道任意形状断面自动截割与记忆截割、巷道断面误差修正、截割臂防闷车、硬质点（矸石）识别与摆速自适应控制等智能化功能。远程可视化智能操控平台可实现掘进机全参数监视、远程可视化手动控制和智能化控制。在光照较弱或者粉尘较大等复杂工况条件下，通过热成像实现掘进机视频＋红外视频的监控作业

2.掘进机全参数智能感知系统

全参数感知系统主要包括三部分：机身位姿感知系统、作业环境感知系统、设备状态感知系统。机身位姿感知系统包括捷联惯导、激光标靶、扇形激光发射器、二维里程检测装置、激光测距仪等。作业环境感知系统包括防爆摄像仪、热成像仪、毫米波雷达、粉尘传感器等。设备状态感知系统包括振动传感器、液压油温传感器、流量传感器、位移传感器、电流传感器、电压变送器、智能控制器等

机身位姿感知系统能采集掘进机机身在巷道内的位置、方向、姿态，实时显示掘进机的行走轨迹与偏向角、偏距、俯仰角、横滚角、车前距5个掘进机机身位姿参数，准确反映掘进机实际掘进方向与巷道设计中线的偏离情况。

作业环境感知系统对掘进工作面环境信息全面感知并做远程可视化处理，实时监控各部件以及整机的运行画面。检测工作面粉尘状况，在高粉尘浓度下可通过热成像仪感知掘进作业情况。具有三级预警功能，人员接近危险区时及时预警。

设备状态感知系统对掘进机的电力系统、液压系统、截割位姿及动作、截割电机及油泵温度、工作时间及截割臂动作、左右星轮、一运、前铲板、后支撑、左右履带等执行机构的运行状况实时感知，并对异常信息报警。

3.掘进机截割控制系统

掘进机截割控制系统的软件控制部分主要包括3种控制逻辑和方法。主要包括：任意断面自动截割、自动刷帮、记忆截割和位姿误差消除控制。

1. 任意断面截割

任意形状断面自动截割根据预先设定好的截割路径，驱动截割臂自动做水平和垂直运动，实现掘进巷道断面自动成形截割，包括矩形、梯形、拱形等形状。

2. 自动刷帮

掘进机自动刷帮过程设定两帮的刷帮路径为自上向下，对自动截割成形时有误差的边界进行重点刷帮。其控制原理与自动截割过程原理相同，均利用水平油缸和回转油缸控制截割臂进行水平和垂直运动，保证巷道成形质量。

3. 记忆截割

掘进机记忆截割过程由人工示范和记忆截割两部分组成。司机利用遥控器进行示范截割，控制系统根据对路径信息的拟合和优化进行记忆截割过程。该方式复现了人工示范路径并进行自动截割，保证了较好的断面截割质量，减轻了操作者的劳动强度，提高了工作效率。

4. 位姿误差消除控制

掘进机通过偏向角和偏距等信息判断掘进机位姿偏差程度，若偏差较大，对掘进机位置、方向进行粗调整后，再进行掏槽。掏槽完成后，根据此时的偏向角和偏距调整截割位姿以反向补偿掘进截割断面成形方向，消除位姿误差。

4. 掘进机自适应控制

掘进机自适应控制主要是通过各个传感器的参数，控制截割过程中的速度，防止截割过程中出现电机过载现象。包括载荷识别、摆速控制、硬质点控制和闷车处理。

截割载荷识别模块主要是基于截割电机电流I、截割臂驱动油缸压力P、截割臂振动加速度Ace多种传感器信息，利用改进粒^{子群算法优化的BP神经网络(IPSO-BP)}控制识别截割载荷。

摆速控制模块主要是利用BP神经网络控制器得到的输出信号，导入PID控制器中，实现截割臂摆速自适应控制的稳定性和效率。基于多种传感器信息的截割自适应控制可以避免单传感器信号不全面、不稳定的问题，准确识别截割过程中煤叶性状，保护截割驱动系统。

掘进机自适应截割过程中遇到特殊的硬质点，会使得减速后的截割头没有足够的进给力去克服其正面阻力，此时掘进机应加大截割进给力度，即电液比例阀的开度，缓慢加大油缸进给力，提高截割效率；但碰到无法截割的硬质点时，自动停止截割，转为人工操作，保护截齿和截割机械部件。巷道中的煤岩可能会出现松动或出现断块的情况，导致未破碎的部分在没有其他煤岩的支撑下发生坰塌。当截割头被松散煤岩覆盖时，驱动截割臂及时回撤，脱离闷车工况， 延长掘进机使用寿命，提高截割效率。

5. 远程操作系统

掘进机可视化交互式远程智能操控平台，包括井下远程可视化智能集控仓和地面可视化智能监测平台，实现掘进机全参数监视、远程可视化手动控制和智能化控制。在光照较弱或者粉尘较大等复杂工况条件下，通过热成像实现掘进机视频＋红外视频的监控作业。

掘进机远程可视化手动控制主要构成为有线网络摄像仪监视器，数据工作站，手柄操控台，网络视频录像机，视频监控系统遥操控制系统，现场数据采集端口，遥操人机交互界面。掘进机全参数显示系统具有用户管理界面、掘进机位位姿参数、截割状态参数、截割控制参数、巷道环境参数、电力系统参数、液压系统参数、故障报警显示、操控单元指令显示等全参数显示功能。

掘进机具有红外摄像仪，能够在光照不高或者粉尘大的情况下，利用热成像对工作面实现成像功能。红外摄像仪远程计算软件通过数据分析，能够判断巷道或者障碍物的基础轮廓。

参考文献

1. 张慧杰. 悬臂掘进机自动截割控制关键技术探讨[J]. 中国机械, 2014(13): 132-132.

2. 张旭辉,赵建勋,杨文娟,等. 悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2186-2196. 

3. 杨阳,王鹏江,吉晓冬,沈阳,王东杰.基于模糊数学的掘进机截割头转速分档预测方法[J].煤炭工程,2022,54(02):172-176.