掘进机远程智能控制系统的设计及应用分析

吴冬冬

（兰花集团莒山煤矿有限公司，山西晋城048000）

在进行煤矿建设和煤炭生产的过程中，巷道掘进起着至关重要的作用。巷道掘进在生产和加工时具有推进工程量大、安全隐患高的特点，但在使用过程中从业人数却非常广。据数据反馈，从事巷道掘进所造成的安全事故是同类行业事故中最多的。随着近些年科技水平的进步，巷道挖掘技术已经通过机械设备所实现，但是其在控制方面仍没有完全达到智能化和自动化。与煤矿工程的其他设备工作面进行比较，在掘进工作面上所引进智能化技术偏少。在矿井下进行工作时，掘进设备主要是靠单台机器来进行工作，并不能够与其他机械进行互联，从而实现协同化和智能化工作，这就往往造成掘进设备工作起来效率低、自动化程度不高，因此为了促进掘进技术的发展，应当要求发展创新特点，对掘进工作面进行科研攻坚，尽快实现其设备的自动化发展思路。而进行科研的重点应该放在矿用掘进机上，可通过智能化技术的加持，尽快对其作业状态进行升级，达到自动化控制，减少事故的发生率[1]。

综上所述，在现有的掘进设备的技术上，若能再辅助一些智能化控制改进措施，则可以提高矿井的掘进效率，同时也可以减少事故的安全隐患，研究该方向具有很强的现实意义。

1 现有掘进机控制系统现状分析

目前，在对掘进机的设计过程中发现，为了实现自动化，要对其进行控制系统的设计，主要工作是明确掘进机的预计动作实现以及故障排除的工作，但是掘进机在矿井下进行生产工作时，其实际工作状态总是有意外情况产生，所以目前对掘进机的控制系统设计并不能够正常运行，主要存在以下问题：

（1）现有的掘进机控制芯片一般采用的是单片机，很少采用更为便利的PLC 控制，且在逻辑语言上也存在处理能力弱、运行速度慢的缺点。

（2）在设计阶段发现，目前所采用的CPU处理器较落后，如果在矿井下工作时面对复杂状况，因为其运算能力差而没办法进行精确的计算以至于做出相应控制。

（3）采用的控制系统对突发状况预警存在不及时情况，如环境变化所引起的温度等状况，仅能够在返回时得到预定需采集的数据。

（4）该控制系统在对所采集的数据没有办法及时回传，只能起到保存作用，这就决定其无法根据现场实际情况来回传数据，从而做出相应判断。

通过对目前掘进机的控制系统进行分析发现，对其控制系统进行研究具有很强的现实意义，同时将目前较为成熟的自动化技术运用到掘进机上，将会使整个矿井掘进的安全隐患减少且能使工作效率提高。

2 远程智能控制系统方案设计

在以往的设计案例中发现，增加掘进机的远程控制系统能力可以提升掘进机在矿井内的工作效率，所以必须加强其远程控制系统的建设。控制系统的总体框架如图1所示，其中包含有数据采集模块、远程通讯系统模块、导航定位子系统、井下远程集控中心、设备集控联动、地面远程集控中心等部分。数据采集模块主要目标是实现井下集控，地面远程控制，且能够和总平台实现实时对接和数据反馈的功能，从而实现自动化，其采集的数据主要包括动态类数据，如环境监测系统、姿态监测、安全监测系统、自动截割系统以及工作面视频监控数据，同时还有静态类数据，如排水、供电、带式输送机、通风等设备数据。掘进机操控台、防爆主机、四屏显示器、防爆硬盘刻录机、集控仓、键盘、鼠标等专业性软件组成了井下远程集控中心。而地面远程集控中心则是由计算机主机、显示器、工业交换机、操作面板灯组成的，其主要作用就是可以将地下采集的数据进行演示，并且能够对井下的掘进设备实现远程控制，包括开机和暂停等智能性操作[2]。

图1 煤矿掘进机远程智能控制系统总体框架

最后，在该系统中所用到的远程通讯子系统是利用控制平台的5G系统，将井下集控中心的交换机信息传输到井上，从而将井上信号传递给控制平台而实现远程通讯，该系统朱勇是结合了车载高清摄像仪、机电控制系统、安全防护传感器、语音对讲设备、井下集控中心、遥控收发装置等所组成的网络拓扑架构。该系统的操作模式可以结合多种操作模式，但现场操作可以优先于其他操作模式，同时将其他模式锁定，从而保证现场操作的安全性和准确性。

3 掘进机远程智能控制系统中关键分系统设计

3.1 导航定位子系统设计

掘进机在实现智能化的过程中，限制其发展的技术是自动导航定位系统，该系统的核心包括了截割头定位技术和掘进机车身定位系统，并且整个子系统包含了CPU、激光物位仪、激光陀螺惯性导航、GPU、加速器、激光陀螺等组件。激光陀螺惯性导航和三维激光扫描仪融合技术驱动了掘进机的车身定位系统。三维激光扫描仪的成像如图2所示，它的工作原理是用内置的激光雷达对预定的相关标靶提前扫描，然后将扫描产生的云数据再发送给CPU 进行图像处理，最终进行建模和计算的过程。与此同时，车身在工作时通过截割臂的一系列动作（如回转、升降、伸缩等）末端的传感器进行感应，将截割头相对于巷道的具体位置进行收集和反馈。断面自动截割成型的主要数据来源就是通过截割头位置信息得到的。图3反映的是导航定位子系统的总体框架。

图2 三维扫描仪检测

图3 导航定位子系统总体框架

3.2 负载自适应控制技术设计

掘进机在井下进行工作时，如果忽略井下地质条件的影响则会使得掘进机设备受到伤害，因为地质的材质不同区域、不同断面的硬度差别很大，面对不同的地质情况，掘进机的截割速度也要实时进行调整，所以在进行信号反馈时也需要对掘进机的工作负载进行研究。

对掘进机的工作负载进行研究，要实现其负载自适应技术，主要是通过输入一些参数来判断是否和工矿条件匹配，如截割升降油缸或截割回转油缸压力参数、机身航向角变动的频率参数、截割电机电流参数，这些参数进行输入时会和控制器上的PLC进行比较得到相关的负载匹配率η，然后在通过η对截割升降机和回转机的电磁阀进行控制，从而通过控制电流改变其负载能力，就是通过这种方法来实现自适应负载的控制，从而使机器的运转更平稳，会避免因为超负载而造成对机器的损伤。图4反映的是掘进机负载自适应控制逻辑。

图4 掘进机负载自适应控制逻辑

3.3 姿态自调整及防撞技术研究

掘进机在工作过程中常因为位置发生变化影响截割的正常工作，主要是受到三方面的影响：一是因为被截割的岩石给机器的发作用力，导致掘进机发生了位移偏差。二是因为在掘进过程中为了保证整体成形的平整度，常常使机器在前进和后退时通过调整位置来保证截割头在每次工作过程中的进给深度一致。三是因为机身的四个角配备有坐标器，不能相对于巷道侧帮有偏差，如果距离低于了阈值时会自动触发警报，同时通过控制器对机身进行实时位置调整。

以上三种情况都可以通过不同的控制方式来实现机身的自动调整方案，但考虑到掘进机是在履带的作用下进行行走，结合其行走特点，所以通过分析决定改用将履带的行走速度的绝对值设为固定值这种方式来实现自动调整，从而保证计算模型的精确性。

3.4 危险区域人员识别技术分析

在井下或危险区域进行工作时，往往发生安全事故的概率较大，因此为了提防在以上区域发生危险，所以特定设计了危险区域人员识别技术。这种技术的工作原理是当在开机运行过程中如果在附近5m监测有人员活动，则会通过在机身上安装的红外传感器进行精准定位，同时驱动声光报警器进行报警，对进入附近的生产人员进行提醒；同时在该系统正常工作过程中，会将外界误闯信息进行识别报警，从而反馈至监控平台上。

4 控制系统的应用效果分析

在掘进机中进行集成应用测试，通过该系统对掘进机进行综合控制能力的测试，可以很好地对该控制系统的综合性能进行验证。在对该系统的应用过程进行调查分析时发现，其整体运行控制工程较好，可以在控制过程中通过采集模块来实现对掘进机的不同作业姿态进行控制，同时可以将设备的一些运行参数进行收集和反馈，且能够准确地将采集数据传输至控制平台。另外，该平台的导航定位系统可以根据设备的不同动作建立模型从而将数据和资料库进行匹配，控制人员可以将采集的数据进行汇总和分析，从而对目前设备的各个零部件功耗情况进行分析，从而保证设备的安全使用。综上所述，该系统在使用过程中运行平稳，整体控制过程精确，自动化程度较高，能够很好地实现掘进设备的自动控制，该设备的研发具有很强的应用价值。

5 结语

该研究是在对掘进机工作过程中难以实现远程控制井下设备的基础上进行的，采用了先进的控制设备升级了原有的智能控制系统，从而实现掘进机的自动控制功能，为井下的安全生产提供了保障。该研究是结合了原有的掘进机控制系统，在此基础上进行了升级，并且对原有系统中的关键模块进行了技术升级，最终通过实际案例对该系统在掘进机中的控制应用进行测试，总体控制运行效果较好，并且能够及时地将掘进设备的实时数据进行采集和反馈至控制平台，在控制平台处理后通过显示界面展示，可以实现对生产设备的实时导航定位功能。通过此系统的设计，可以使掘进机设备在工作时提高了生产效率，同时也提高了生产时的操作安全性。