智能掘进机电控系统设计及位姿纠偏技术研究_潘志勇.pdf

智能掘进机电控系统设计及位姿纠偏技术研究潘志勇（晋能控股煤业集团朔州朔煤王坪煤业有限公司，山西朔州038300）摘要：通过对掘进机的智能电控系统以及行进过程中的位姿纠偏算法进行研究，以达到掘进机在工作状态时实时状态检测预警、自动行走、自动截割以及高质量的远程通信，提升掘进机电控系统的智能化水平，彻底解决人工控制的掘进机劳动强度大、效率低以及存在安全隐患的问题。关键词：智能化；掘进机；智能电控系统；位姿纠偏算法中图分类号：TD632.2文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0174-020引言煤炭仍作为现阶段工业生产动能和人民日常生活用电的主要能源，这就对煤炭的开采效率以及煤炭开采过程中的安全操作提出了更高的要求。近年来，工业智能化和自动化技术不断发展，互联网、大数据等新技术的出现更是推动着煤矿机械进一步的升级。综采设备作为煤矿井下开采的重要设备，其直接决定着煤矿开采的效率，但是由于掘进工作效率的问题导致“掘采失衡”，这也是目前大部分煤矿都遇到的问题1。煤矿井下巷道在掘进工作时，其主要分为全断面掘进和局部断面掘进，文中讨论的掘进方式为采用悬臂式掘进机的局部断面掘进。悬臂式掘进机在实际应用过程中相比于人工掘进等方式效率方面有了很大地提升，但是其在电动控制和智能化方面仍需要进一步的研究2。1掘进机行进过程纠偏技术现阶段煤矿井下巷道开采大部分使用的是悬臂式掘进机，悬臂式掘进机在井下工作时，大部分采用的是履带式的前行的方式。对掘进机的位姿监测、自主纠偏以及调整是保证掘进机高效掘进，实现智能化自动化的重要基础，保证其能够在煤矿井下条件复杂的环境中不偏离预定轨道3。本文利用模糊 PID 算法对 PID 的三个参数进行实时动态调整，使其更加符合控制对象的实际控制规律。由于煤矿井下掘进过程中周围环境恶劣，掘进机位姿监测采用惯性导航和多传感器融合的定位导航技术，其主要是由激光偏距感知系统、捷联式惯性导航系统、二位里程计等传感器组成的。激光偏距感知系统中的激光传感器主要是用来对掘进机轨迹的中线进行标定，一般情况下安装在煤矿航道的后边顶部的中间位置。掘进机行进的过程是通过激光中线作为参考对需要截割的煤壁进行掘进。掘进机自身安装有标靶，通过形成的光斑，再通过光敏元件计算出掘进机的横向偏差距离。捷联式惯性导航是利用陀螺仪和加速度计对载体进行测量相对惯性空间的角速度信息，计算机进行位姿结算，从而实现对掘进机导航坐标系位置、速度等相关信息。二位里程检测装置是通过编码器和测量轮两者对掘进机的横纵向进行检测的，编码器与测量轮一同固定在掘进机底部。本文所利用的模糊 PID 控制器是采用的两输入三输出的结构，通过输入掘进机横向位置偏差和位置偏差变化，模糊控制输出、作为控制系统的修订值。2掘进机电控系统设计2.1掘进机电控系统硬件设计2.1.1掘进机主回路硬件选型作为掘进机的主要控制部分主要有截割电机、油泵电机、二运电机以及除尘电机，对掘进机进行回路控制主要是对上述四部分的电机进行配电控制以及保护。掘进机的主回路通过利用隔离开关对整个掘进机的动力电源进行隔断和闭合控制，利用交流真空接触器对上述各个电机进行启动。采用一次侧 1 140 V和 660 V 双路控制变压器实现双电压等级的输入，利用 AC220 V 作为二次侧控制回路以及电源的控制电源。三相电流互感器以及漏电检测分别对电机电源以及电机是否安全进行检测。掘进机控制电源部分的电源通过控制变压器提供，设计有一个开关电源和三个本案电源。开关电源作为控制器、电磁阀组以及各个模块的电源控制装置，本案电源是对传感器模块或者是信号传递模块提供电源供给。掘进机主回路的硬件装置选型如下页表 1 所示。2.1.2控制器选型掘进机的控制器是整个电控部分的核心，利用CAN 总线技术将控制部分的各个模块进行连接，同时控制器的数据处理指令发送到各个模块。本文的掘进机电控部分的控制器采用 DSP+FPGA 控制器，该款控制器能够很好的符合煤矿井下的使用环境，同时收稿日期：2022-09-23作者简介：潘志勇（1992），男，山西大同人，本科，毕业于山西大同大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师，研究方向为煤炭掘进。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.070自动化系统设计2023 年第 6 期控制器有着很好的运算能力，能够达到掘进机电控部分的使用要求。电控部分的温度采集模块采用的是PT100 型号的温度传感器对各个电机的温度进行实时监测，防止其出现过流、过压以及反接的现象。2.1.3掘进机远程通信系统设计煤矿井下一般的通信传输模式有有线通信传输和无线通信传输，单一的通信方式都不能够满足井下恶劣的环境需求，因此本文设计的通信方式主要是利用有线通信传输加 4G 无线通信传输的方式。有线通信传输采用光纤传输的方式，无线通信传输采用本安信号转换器、基站以及远程监控等设备组合的传输方式。利用 CAN 总线技术将掘进机电控系统的传输数据进行转换，转换后与 RJ45 的接口形式，实现本安信号转换器与基站的 4G 无线网络传输。网络交换机是实现将数据进行转换传递到远程监控系统5。考虑到煤矿井下特殊的工作环境，其通信系统的稳定性和抗干扰性必须有所保证，因此本文设计的通信系统是使用两种通信方式相互结合进行的，两种途径同时进行互补以达到提高其可靠性的目的。当其接收或者是发送数据信号时，有线通信方式和 4G 无线通信同时进行工作。控制器接受到信号时，判断两种途径的状态，当两种都正常时，无线通信信号作为备用进行保存。当有线通信出现中断时，则系统将无线通信作为其有效数据。在远程通信时，系统持续不间断地对两种通信方式状态进行监测，适时调整。2.2掘进机电控系统软件设计掘进机电控系统软件设计采用的时 CODESYS编程软件，结合上文中控制器的选择，可以实现对掘进机电控系统的整体软件部分功能的实现。掘进机电控系统的掘进工作控制程序分为主程序和子程序。在掘进机开始以及准备工作完成后，实现主程序和子程序的执行。其中子程序包括安全启动、状态监控、保护、行走以及显示等。主程序的流程如图 1 所示。3掘进机电控系统试验分析为了保证所设计的掘进机电控系统能够可靠、安全的使用，采用 EBZ160 掘进机进行空载、连续工作试验。模拟煤矿井下的实际作业过程的行走、掘进、装运等动作进行控制，通过显示装置能够看到掘进机在实际工作过程中的各部分电机的运行状态，经过 2 h的实际连续运转采集到的数据信息如表 2 所示。通过对上述电机的状态数据观察，能够发现油泵电机电流、截割电机电流、油泵电机温度、截割电机温度以及油箱温度在 10 min、60 min、120 min 时间段内的实验数据与实际测得的数据相吻合，同时也说明了EBZ160 掘进机应用本文设计的电控系统后各项运行功能均正常且稳定。4结语掘进机作为煤矿井下的重要的综采设备，其工作效率关系到煤炭开采的速度以及企业的经济效益。通过对掘进机在煤矿井下的工作功能名称型号隔离换向开关OT400E12交流真空接触器CKJ11-250电源变压器BK-1.5K熔断器3NE3233电流变送器CS50机身姿态传感器GUD90-CAN油缸行程传感器GUC2500温度传感器GWD200B压力传感器GPD60表 1掘进机电控系统主回路硬件选型图 1主程序的流程项目运行时间/min1060120环境温度/22.322.322.4油泵电机电流/A15.215.215.2截割电机电流/A32.533.332.6油泵电机温度/29.346.549.8截割电机温度/32.553.465.2油箱温度/30.252.158.4表 2连续运转采集数据信息系统上电系统初始化漏电状态检测电机是否漏电是否调用电机控制功能模块、控制发出故障报警，电机禁止启油泵电机、截割电机的高速、动，系统停机检查排除故障低速、二运电机、风机电机的启停等变量更新输出缓存区否各电机运行正常是手动或自动控制调用手动控制模块，按照人工调用自动控制模块，按照预设给定控制信号进行掘进给定控制信号进行掘进输出端口数据驱动输出动作以 10 ms 周期循 环执行上述程序END（下转第 178 页）潘志勇：智能掘进机电控系统设计及位姿纠偏技术研究175机械管理开发第 38 卷检验 Zig Bee 模块的信号传输性能，以及在发送时的丢包率，具体测试数据见表 1。采煤机监测系统的整体试验是整个系统的最后一步，当各个子系统均已联接时，其主要分为两个阶段：通过无线网络将来自传感器的数据传输到中心控制计算机；通过集中控制计算机向矿井控制系统发送指令。试验结果表明，该监控系统的整体性能符合设计要求，能够有效地对矿井以及采煤机的割煤情况进行实时监测。5结语针对当前煤矿井下采煤机割煤情况自动监测系统存在的不稳定、测量精度低、信号传输质量差等问题，结合当前煤矿井下煤矿井下煤矿井下作业情况，采用 CAN 总线技术和 Zig Bee 通信模组技术，研制了一套煤矿井下作业状态监测系统。本文详细地阐述了该监控系统的整体结构和硬件设计，并进行了初步的试验。主要包括各模块的独立检测和整个监测系统的检测。实践证明，本系统能够实现对采煤设备的远程查看和控制，满足了矿井监控系统的设计要求，对矿井的安全运行具有一定的指导作用。参考文献1高江波.智能综采工作面采煤机割煤情况自动监控系统设计分析J.机械管理开发，2022（1）：229-231.2崔玉礼.基于物联网技术的掘进机自动监控系统研究J.煤炭技术，2013（12）：39-41.3王苏彧，杜毅博，薛光辉，等.掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用J.中国煤炭，2013（4）：63-67.（编辑：王慧芳）距离/m丢失率/距离/m丢失率/距离/m丢失率/00252.450050300550101350600150400650200452.5706.7表 1节点的丢包率Design and Analysis of Automatic Monitoring System for Coal Cutting Situation of FullyMechanized Mining Face ShearerZhang Peng（Comprehensive Mining Team 3 of Huayang No.1 Mine,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:With the continuous development of intelligent control and monitoring systems,unmanned automatic monitoring systems in mineshave become an important guarantee for mine safety management.On the basis of the existing MG200/50-WD coal mining machine andbased on practical application experience,a coal cutting monitoring system for the coal mining machine has been designed.The overalldesign,hardware design,and other aspects have been elaborated in detail,and the built monitoring system has been tested,mainlyincluding individual detection of each module and detection of the entire monitoring system.The practical application shows that this systemhas good working performance,high automation level,meets the design requirements of the monitoring system,and has a certain theoreticalguidance role for the safety production of mines.Key words:fully mechanized mining face;coal mining machine;monitoring system;experimental debugging的了解，综合实际工作过程中遇到的问题，提出了基于模糊 PID 的纠偏算法，实现对掘进机行走机构的控制。同时为了保证掘进机能够正常稳定的工作对掘进机的电控系统进行硬件选型、软件设计，最后通过试验进行验证，保证了应用本电控系统后能够正常、可靠的工作，有助于促进掘进机朝着更加智能化、自动化的方向发展。参考文献1郗燕杰，范柄尧.基于 CAN 总线的掘进机状态监测系统研究J.中国设备工程，2022（14）：181-182.2葛玉生.EBZ260W 掘进机电控箱减振的优化设计研究J.山东煤炭科技，2021，39（10）：129-131.3许连丙.基于神经反应的矿用掘进机电控系统的设计研究J.煤炭技术，2021，40（3）：131-133.（编辑：王婧）Design of Intelligent Roadheader Electronic Control System and Research on PositionCorrection TechnologyPan Zhiyong（Jinneng Holding Coal Group Shuozhou Shuo Coal Wangping Coal Industry Co.,Ltd.,Shuozhou Shanxi038300）Abstract:The intelligent electronic control system of roadheader and the algorithm of posture correction during travel are studied toachieve real-time status detection and early warning,automatic travel,automatic cutting and high-quality remote communication during theworking condition of roadheader,so as to improve the intelligence of the electronic control system of roadheader and completely solve theproblems of high labor intensity,low efficiency and safety hazards of the manually controlled roadheader.Key words:intelligence;roadheader;intelligent electronic control system;position correction algorithm（上接第 175 页）178