综掘工作面智能控制设计与研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：姬翠亭（1988），女，汉族，河北邯郸，本科，河北伊联智能科技有限公司，研究方向为矿山机械设备控制系统。-5-综掘工作面智能控制设计与研究 姬翠亭 河北伊联智能科技有限公司，河北 石家庄 050000 摘要：摘要：煤矿井下是一个复杂且危险的生产环境，由于空间受限、湿度大、温度高、灰尘弥漫、大功率设备众多以及生产工况复杂等因素，安全风险很高。随着煤炭开采深度和巷道掘进量的增加，掘进工作面的灾害现象如冒顶、突水、瓦斯爆炸等问题也日益严重。在这种情况下，人工操作设备时面临的噪音、粉尘等问题，会对工人的身体健康带来威胁。因此，掘进机的自动化、智能化和无人化发展成为了解决这个问题的关键，也是煤矿行业转型升级的必然趋势。关键词：关键词：煤矿机械；掘进机；智能化 中图分类号：中图分类号：TD263 0 引言 近年来，我国智能化技术的发展速度很快，其在煤矿掘进机中的应用也日益普及。掘进机的自动截割系统、操作系统以及信息显示系统都充分运用了智能化技术，这使得掘进机可以有效地实现自动截割和运行过程中的参数数据收集。无论是在哪个工作角度和工作流程中，智能化技术都可以帮助实现煤矿截割、装运以及行走等各种不同工作环节的智能化控制。因此，充分利用各种先进技术的新型掘进机，对于提高掘进机生产企业的市场的响应速度和在市场的竞争力有重要意义。1 掘进机智能控制系统主要功能（1）掘进机具备本机电液控操作、无线视距遥控操作、井下远程平台操作、地面调度集控平台操作功能。各控制方式相对独立，任何一种控制方式均应满足控制工作面所有智能设备的启停、姿态调整、监测工况等要求。（2）遥控、井下远程控制、地面远程集控等控制方式的下远程集中控制、启动相互闭锁，并具备一键紧急停机功能。控制方式的转换由授权人员进行操作，控制状态在系统界面有明确的显示。（3）视距无线遥控通信距离不小于 70m 距离，能可靠遥控设备，具有远距离控制、信号显示、急停设备、信号中断保护等功能。（4）掘进设备应具备精准定位的能力，能够在设定方向上实现自动掘进。在掘进过程中，设备的自主定向功能应与激光定向仪的指向保持一致，最大误差不得超过 20cm/10m。这意味着掘进设备在每 10 米距离的偏差应控制在 20 厘米以内，以确保准确的掘进方向和工程精度。（5）掘进设备实现截割轨迹在线监测：建立巷道断面模型，利用各种传感器获取掘进机的位姿状态信息，包括截割头相对于掘进机中心坐标轴的坐标位置，以及掘进机中心坐标相对于巷道坐标的位置等。经过控制单元的计算，可以得出掘进机截割头的实际位置，并在误差范围内（截割头位置相对于巷道断面坐标误差不超过 4 毫米）实现准确的截割位置轨迹监测。这意味着掘进机的操作可以精确地按照预设的巷道断面模型进行，确保挖掘工程的准确性和安全性1。（6）掘进设备具备姿态监测和自动调整功能，通过实时采集、分析各执行机构运行数据以及与设备俯仰角度、两帮及相关设备距离数据，实现姿态自动调整。距离达到设定的警戒值时，实时发出报警语音，并在人机界面自动弹出报警提示；达到危险值时，发出报警并自动停机。掘进设备姿态监测倾角最大误差0.2。（7）掘进设备应具备追踪坡度的功能，能够在集控平台上实时显示坡度信息。对于坡度偏差的要求，应不超过1，这意味着在实际掘进过程中，坡度的误差应控制在千分之一以内，以确保工程的精确性和安全性。具备工作面坡度检测和坡度追踪实时中国科技期刊数据库 工业 A-6-显示。（8）掘进设备应具备截割头的精准定位、自动截割和截割轨迹记忆功能。在作业过程中，截割头能够按照系统预设的截割路径程序或示范记忆轨迹自动进行截割操作，同时记录实时的截割轨迹。这种功能使得掘进设备能够更加精确和高效地进行截割作业，并且可以存储和回顾截割的历史轨迹，以便于分析和优化操作流程。根据巷道实际条件，记忆截割路径和自动截割控制工艺，具备实现巷道全断面两个循环1.2m 的定位截割，掘进巷道断面自动成形控制精度：15cm/20m；2（9）掘进设备应配备完善的传感器、执行器和控制器，以便实现单系统或单设备的远程自动控制、工况在线监测和故障诊断功能。这些设备能够实时感知和采集掘进设备的运行状态和各种参数，如温度、压力、速度等，并对其进行远程控制和调整。同时，系统还可以对采集的数据进行实时分析和处理，发现异常情况并及时进行故障诊断，确保掘进设备的正常运行和安全。具备工作面粉尘、瓦斯、水、智能化监测与智能分析功能，并具备监测环境数据分析功能，所有数据结果要求在显示画面准确显示，并且按照国家标准设定超限报警数值和警戒停机数值。（10）具备工况在线监测、故障诊断和报警功能，掘进设备应对工况状态下的电压、电流、油压、油温、油位等数据进行实时在线监测。当监测到数据异常时，设备应发出报警语音，自动停止运行，并实时在人机界面显示报警信息。掘进设备应具备完善的单机状态监测和故障自诊断功能，并能够实现与矿井综合管控平台的互联互通。这意味着设备可以实时监测各种工况参数，及时发现异常情况，并通过语音报警和人机界面显示报警信息的方式提醒操作人员采取相应措施。同时，设备还具备故障自诊断功能，可以快速定位并解决故障问题，提高设备的可靠性和稳定性。此外，掘进设备还可以与矿井综合管控平台进行数据交互，实现信息的集中管理和利用，提高整个矿井的管理效率和安全生产水平。2 掘进机远程控制系统 全自动控制模式。将掘进机远程控制系统设置为“全自动化”工作模式，通过“一键”启停按键启动掘进机。远程控制模式权限优先顺序为井下远程控制、地面远程控制。3任何时刻，只有取得控制权的控制点可发出启动指令，其它无授权控制点只能发出停止指令。控制中心满足距现场不小于 1000 米距离能远程操作。启动过程：油泵启动-二运启动-一运启动-星轮启动-截割电机启动-自动截割程序启动，全自动化启动；运行过程：实时监控工作面掘进设备运行工况，当设备运行异常，可以通过人工干预手段对设备进行远程干预。停机过程：自动截割程序停止-截割电机停止-星轮停机-一运停机-二运停机-油泵停机，全自动化停止；急停：按下“急停”按钮，设备停机。3 掘进机智能化控制各子系统功能 3.1 电液控制子系统（1）由无线接收器驱动电磁阀，控制油缸动作，主要包括截割升降、左右伸缩、铲板升降、后支撑升降等，控制液压马达工作，主要包括一运转载、星轮和左右行走等。（2）电控箱和遥控器无线通讯，和集控室/地面控制台以太网通讯，将遥控/远控指令发送给电控箱以便控制油泵、截割、二运，同时将设备工作状态（如急停、截割急停、瓦斯、热释等）和各电机回路故障（漏电、短路、过载、过热、缺相等）反馈至遥控器、集控室和地面控制台。（3）瓦斯断电故障闭锁和风电闭锁等保护反馈至遥控器、集控室和地面控制台。3.2 视距遥控子系统（1）设置便携式遥控器，视距遥控具有远距离控制、信号显示、急停设备、信号中断保护等功能。在 70m 视距范围内可安全操作掘进机，提高安全性；（2）在遥控器上显示掘进机的运行状态信息和故障信息，减少操作人员操作失误，保障设备正常运行；（3）遥控器采用基于 433M 无线通讯，延迟低至100ms，人体无法感知到其延迟；遥操作按钮设计的布局方便司机操作，且具有断电和通讯中断保护功能；（4）遥控器采用电池供电，单个遥控器需配 3中国科技期刊数据库 工业 A-7-块电池及 1 个充电器，电池采用矿用本安型可充电电池，每块电池容量保证遥控器连续工作不小于 48 小时。3.3 井下集控室设备配置及安装要求 井下集控室主要由集控箱、矿用本安型显示器、矿用隔爆兼本安型计算机、矿用本安型操作台、矿用本安型扩音电话、矿用本安型摄像头和矿用隔爆型LED 巷道灯组成，在掘进巷道合适位置处设置集控室，通过有线加无线的方式，实现井下远程控制掘进机，同时接入矿井千兆环网，实现与地面通讯；集控室内可以通过语音通信进行调度、联络；井下集控室控制台设置一键启停功能按钮，设备上电自检正常后，一键顺序启动油泵、截割、一运、二运、星轮等，同时在停机时也可一键顺序停机，远程控制软件采用数字孪生技术，掘进机三维模型与设备实时状态同步，实现工作面真实场景再现。3.4 地面分控中心 地面分控中心主要由主控计算机、显示器、操作台、硬盘录像机、地面交换机、语音喊话系统和具备相应功能的软件组成，实现与井下集控中心同等功能。在地面调度室设置一个分控中心，配置 1 台主机，带鼠标键盘；配备 4 台显示器(含备用)，不小于 24 寸，16:9；配备地面语音通讯主机，可以实现与工作面和集控中心的双向通话。实现掘进机数据的集成，在地面分控中心可以对综掘设备远程监测与显示。（1）具有在地面分控中心对掘进机进行远程控制功能。（2）具有在地面分控中心对掘进机数据集成、处理、故障诊断等功能。（3）当地面分控中心或者矿井传输网络等系统出现故障时，智能化控制系统能不受影响，可靠运行。3.5 音视频采集子系统（1）设置 8 台摄像仪（包括 7 台枪机和 1 台球机）能够实时监控截割头工作画面、掘进机距巷道两侧的环境画面、落煤情况、左右星轮运行画面以及整个掘进工作面的情况；（2）设置 1 套扩音电话，扩音电话可以实现集控室/地面控制台打点、通话功能；（3）视频监控系统使用本安型摄像仪，主要包括掘进设备、支护设备、转载设备、运输设备及各转载点等关键场点，跟随掘进机进行工作面视频监控画面切换，具备视频监控画面无缝拼接功能。3.6 智能监测子系统（1）设置压力、温度、液位，倾角、位移等各类传感器，实时采集掘进机运行参数；（2）设置红外传感器，红外传感器安装在设备后端两侧，有人员靠近时及时报警，达到危险距离停机，防止设备在井下掘进过程中人员靠经造成伤亡。（3）通过采集到的各种传感器数据结合软件程序可实现工况监测、故障诊断以及危险区域人员识别报警功能；3.7 网络传输子系统 设置两台本安基站，摄像头、扩音电话等接入到基站中，本安基站通过网线和矿用隔爆兼本安型控制箱内部 AP 板进行通讯，矿用隔爆兼本安型控制箱可通过无线和光纤融合方式和后方集控中心内的本安基站进行通讯。3.8 位姿定位子系统 设置位移传感器、位移传感器安装在截割臂升降、回转、伸缩、铲板升降、后支撑升降油缸内，实时检测各油缸行程变化，通过精确的模型计算得出实时的截割头位姿参数。3.9 人员定位防护 人员定位及防护功能：采用红外传感器+UWB 定位基站相结合的方式，配置不少于 30 张标识卡，实现危险区域人员接近探测报警停机功能，开机前及运行过程中，监测到危险区域有人员时，应停机报警。方式一：矿用本安型红外传感器，安装在掘进机后方或两侧，实现人员越界报警或停机。两台红外线传感器安装在掘进机两侧，形成一条不可见监视线，当人或经过时，该传感器自动检测，发出报警，并停机。另两台安装到掘进机后方位置，在人员经过时，该传感自动检测，配合声光报警器，发出“危险区域请勿靠近”语音信号，用于提示。方式二：矿用本安型读卡分站和定位标识卡，通过掘进机上安装 UWB 读卡分站，操作人员配备 UWB定位卡来设定实现掘进机安全范围，当人员靠近掘进机范围内，可通过语音报警信号进行提示或者停机，中国科技期刊数据库 工业 A-8-也可设置等级，当掘进机操作工进入区域内不会停机，当普通操作工进入区域内进行停机。红外传感器信号和 UWB 采集信号传输到接收器，接收器通过内部判断输出开关量，实现设备的报警。4 综掘面智能管控系统软件 智能管控系统软件可预留多路控制接口，具备掘、运工序的智能一键联动功能，系统免费提供开放性接口，提供传输协议，可实现与第三方平台对接以及数据共享，系统还可实现带式输送机远程联动控制功能。除尘风机、喷雾、带式输送机等辅助工序实现自动控制，并具备监测环境数据智能分析功能，在掘进工作面安装对应的传感器，对环境中的粉尘、瓦斯等进行实时监测，通过集控软件对获取的参数进行实时对比分析，在发生数据超限或异常时进行数据弹窗报警。4.1 自动截割（定位截割）：通过智能管控系统软件的掘进机界面可设置机身参数和需要进行截割的宽度和高度，通过系统运算，计算出截割轨迹路径。支持以下三种截割方式：矩形、拱形，斜顶（不规则）等，自动截割状态或工作时，具有自动扫帮，自适应断面截割、截割工艺选择等功能。4.2 摆速自适应（自适应截割）：通过采集截割点击负载电流数据、液压系统的油路压力进行数据监测，当超限时自适应控制截割臂摆速调整，截割升降油缸或截割回转油缸压力过大或过小、截割电机电流过大、机身航向角变动频繁这些数据的变化均能体现出速度与工况不匹配，这些参数统一作为负载自适应控制技术的输入，根据合理调整目标方向的截割升降油缸电磁阀和截割回转电磁阀的控制电流，使设备能够平稳运行，减少机器因超负荷运行带来的强烈震动，提高截割效率，实现摆速自适应。4.3 位姿调整、位姿补偿：在掘进机的截割过程中，由于截割阻力的作用，掘进机的位置和姿态可能会发生变化。为了解决这个问题，掘进机应具备位姿补偿功能，可以自动补偿因机身偏移导致的截割头截割路径的变化。通过这种功能，掘进机可以始终保证截割头按照设定的截割路径进行截割工作。此外，掘进机还应实现精确的三维定位和姿态感知，以便更好地控制其截割路径和姿态，确保工程的准确性和安全性。4.4 自主纠偏与防碰撞：通过激光测量车身在巷道的相对位置数据，当机身出现位置偏移时可进行自主纠偏，保证机身与巷道中线保持平行位置。4.5 工况在线监测：掘进机应安装各种传感器，如电压、电流、温度、压力、流量和加速度等，以实时监测掘进机的工况参数。当这些数据超过预设的门限值时，设备应自动报警并停机。此外，工况监测系统还应具备对现场作业环境中的粉尘、瓦斯等参数的实时监测功能，并在发生超限数据时进行声光报警。掘进远程集控平台和集控室内环境监测系统应对掘进工作面的环境（粉尘、瓦斯等）实现智能监测功能，并具备对环境数据的智能分析能力。此外，这些系统还应具备掘、运工序的智能联动功能，以提高工程的效率和安全性。5 掘进机界面功能介绍：图 1 掘进机导航控制系统示意图 界面主要分几部分组成，主要有自动截割进程显示条，位姿监测数据栏，设备状态信息栏，传感器数据栏，截割轨迹路径显示栏，雷达导航图，电子围栏，工作日志以及设备的数字孪生等。最上方的设备状元信息栏显示的是掘进机的运行状态，如油泵、截割、二运、风机、警铃输出、急停、自动截割、自适应截割、记忆截割等数据状态信息。传感器数据栏：主要显示油缸、压力、粉尘、瓦中国科技期刊数据库 工业 A-9-斯、电压等数据信息，右侧传感器数据栏显示电流等信息。截割轨迹路径显示栏：实时显示截割头的轨迹路线，点击右上角设置按钮可设置三种截割方式的选择和截割宽度、高度的设置。雷达导航图：机身激光雷达采集的状态信息实现显示距离巷道左右两侧的距离，前方巷壁的距离，以及中心距的偏移量等 人员定位及防护：在掘进机周边设定一级预警、二级预警范围，范围可设置，当有人员进入二级预警范围内，黄色范围会有固定人员标识预警闪烁显示，同时机身发出声光报警信号，提醒危险区域请勿靠近，当人员进入一级预警范围内，红色范围会有预警闪烁显示，同时可设定设备停机，保证人员安全。同时机身后方两侧可安装红外传感器，防止人员进入，进行停机。位姿监测系统栏：显示设备的俯仰角、横滚角、偏航角，通过 工作日志栏：显示当前设备的状态和故障报警信息，同时日志信息支撑数据下载和查询，以及折线图数据分析。三维情景再现：软件中的掘进机三维模型通过安装在其机身上的位移传感器等，经过系统算法，将掘进机的实时动作通过动画展示到管控平台软件上，具备掘进机三维场景再现功能，实时仿真重建掘进机现场工况。保护功能：防止其他人员误操作，进行设备锁定，需要输密码可进行解锁。多数据融合：整个系统具备与巷道超前探测设备通讯、系统融合、接入集成功能，能够根据掘进数据实现数字化分类与存储，具备掘进机姿态三维建模功能。参考文献 1郎守让.掘进机智能控制系统研究J.中国石油和化工标准与质量,2019.2宗凯.悬臂掘进机掘进自动截割成形控制系统研究J.北京:中国矿业大学(北京),2019.3孙优贤.控制工程手册M.北京:化学工业出版社,2016.