掘进机自主截割控制系统研究：PCC技术在工程机械中的应用

王苏彧，吴淼
(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083)

摘要：以典型的纵轴式掘进机为研究对象，详细的介绍了系统的控制原理，并采用了PCC+智能工控面板的控制模式对系统进行了搭建。对三项关键技术之一的截割轨迹规划进行了重点研究:分析了煤岩硬度与截割臂摆速、截割电机转速之间的关系，并以此为依据对影响截割的环境因素进行建模;采用栅格法建立了巷道断面栅格地图，基于该地图规划躲避夹矸位置的截割轨迹;依照截割工序，按照煤层软硬程度不同，分别规划了相应的截割轨迹及自动控制流程;分析了掘进机机身位姿偏差对截割轨迹的影响。研究结果表明:掘进机自主截割控制系统已初步搭建，有待开展另外两项关键技术的研究及井下工业性试验。

关键词：自主截割;纵轴式掘进机;截割轨迹规划;断面栅格地图

doi:10.11799/ce201606040

收稿日期:2016－02－22 
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2014CB046306) 
作者简介:王苏彧(1987—)，女，黑龙江鸡西人，博士，中国矿业大学(北京)在读博士后，主要研究领域为煤矿井下掘进装备自动控制技术、智能控制方法的研究和应用，E－mail:blueapple772233@163.com。 
引用格式:王苏彧，吴淼.基于PCC的纵轴式掘进机自主截割控制系统研究［J］.煤炭工程，2016，48(6):132－135.

智能化掘进是指在不需要人工直接干预的情况下，通过对掘进环境的智能感知、掘进装备的智能调控，由掘进装备独立完成的自主巡航作业过程［1，2］。其中，机器人化综掘断面自动成形－自适应截割控制原理及实现方法是实现掘进自主作业、完成既定任务的基础性研究。为此，本文以典型的纵轴式掘进机为研究对象，采用先进的可编程计算机控制器(Programmable Computer Controller，简称PCC)，开展掘进机自主截割控制方法的研究［3，4］。

1.1　截割轨迹规划

截割轨迹规划是将掘进机的截割轨迹按照某种设定的性能指标(譬如时间、特定点、精度等)进行规划，使其截割出规整断面的最优或次最优的无碰轨迹［5］。具体内容包括:①研究环境因素对截割轨迹数学模型的影响关系;②研究掘进机机身位姿偏差对截割轨迹数学模型的影响关系;③研究不确定约束的截割轨迹自主迹修正方法。

1.2　自动截割

区别于人工手动截割，自动截割是指掘进机根据规划好的截割路径，按照事先编制好的控制程序，自动控制截割机构驱动油缸的启停顺序以及运动速度，最终自动截割出符合设计要求的巷道断面［6，7］。

为达到少人化甚至无人化，在整个自动截割过程中，工人只起到设定初始截割参数、监视工况的作用，具体的截割作业皆可由掘进机自动程控完成。具体内容包括:①研究自动截割控制闭环传递函数及其控制特性;②研究截割边界误差控制精度影响因素及控制规律;③研究截割断面轮廓形状及关键点坐标控制模型;④研究不确定约束的自主截割控制方法。

1.3　载荷自适应截割

载荷自适应截割是指在截割过程中，控制系统根据断面煤岩分布情况自动调节截割头转速或截割臂摆速，使掘进机在不超过截割电机额定电流的情况下提高截割效率。具体内容包括:①研究变载荷扰动对截割部的控制影响规律;②研究变载荷下截割头转速、截割臂摆速自适应控制数学和仿真模型;③研究变载荷下截割头转速、截割臂摆速自适应控制方法及策略。

纵轴式掘进机整机结构如图1所示，由截割部、装载部、运输部、本体部、行走部、后支撑部六大部分组成。

图1　纵轴式掘进机总体结构

掘进机截割机构是掘进机直接用于截割的装置，它的作用是破落煤岩，由截割头、截割臂、驱动液压缸和截割电机等组成，通过两个独立的液压控制系统分别控制截割臂垂直和水平摆动，控制原理如图2所示。以水平方向摆动为例，其控制原理为:传感器检测回转液压缸活塞杆的位置并转换为对应的电信号，将该电信号与目标位置值相比较得出偏差量，控制器根据偏差量计算得出控制参数，再通过比例放大器驱动比例方向阀的阀芯运动，从而实现对回转液压缸活塞杆位置的调节，完成截割臂水平方向摆动控制。垂直方向控制原理相同，不再赘述。

图2　截割机构控制原理图

根据上述控制原理，掘进机自主截割控制系统各硬件组成如图3所示，系统可划分为检测单元、控制单元、比例放大板、负载敏感式比例多路换向阀组以及执行单元［8，9］。

图3　掘进机自主截割控制系统硬件组成图

3.1　PCC和智能工控面板

系统的控制单元由PCC、智能工控面板以及遥控器组成，PCC+智能工控面板是非常先进的工业控制系统模式，融合了传统的PLC和IPC的优点，不但运算/处理能力强、适应性及实时性强，而且开放性较好。

智能工控面板在系统中提供人性化的人机界面，并分担计算及部分智能控制功能，采用的型号是B＆RPower Panel400，其可实现实时多任务操作，使整个项目结构化，为程序段设定不同的优先等级、单独的循环时间、最合适的编程语言、单独调试及故障处理等。

3.2　传感器

1)油缸位移传感器。为实现掘进机的自主截割控制，需实时检测回转台回转油缸与截割臂升降油缸的位移伸缩量，以此计算出截割头在巷道断面中的当前位置，并根据与目标位置的差值继续完成对截割臂水平和垂直方向的自动控制，因此油缸位移传感器的可靠性直接影响着系统自动控制的精度。其不需定期标定或担心断电后归零的问题，将其封装在一个不锈钢管并装入油缸内部，随着油缸的伸缩可以精确测量出其直线位移，直接输出标准的电流信号。由于采用非接触测量方式，具有无磨损、可靠性高、环境适应性强等特点。

2)电流变送器。为实现载荷自适应截割控制，需要采用电流变送器来检测截割电机的电流。系统选用的电流变送器的型号为CS30－1500Aa.c，输入为AC0～1500A，可将被测回路的交流电流直接转换成按线性比例输出的DC4～20mA，并通过250Ω的电阻转换成DC1～5V电压信号。掘进机的截割电机为三项异步电机，因此采用三个电流变送器分别检测A、B、C三项电流信号。

3.3　其他硬件

1)比例放大板。比例放大板的作用是:对PCC输出的控制指令信号进行调整放大，从而驱动掘进机的液压传动装置。系统采用的比例放大板型号为EV22K2－12/24，输入为0～20mA，输出为270～630mA。

2)比例换向阀。比例换向阀是电液比例控制的核心元件，作用是对驱动液压缸液流的流量和方向进行控制，从而实现截割臂摆速的无极调速。系统采用的比例方向阀型号为PSL型负载敏感式比例多路换向阀，其负载敏感特性可使多路执行元件同时并相互独立地工作，且速度和压力均可以不同。

4.1　环境因素建模

煤岩硬度f与截割臂摆速v、截割电机转速n之间的关系为［9］:

式中，I是截割电机负载电流，A;V是供电电压，V; cosφ是截割电机的功率因数;PFe是铁心损耗;PCu1是由定子绕组产生的铜损耗;Pm是机械损耗;s为转差率;PK(f)是煤岩接触强度指标;K1是截齿形式影响系数;K2是截齿几何形状影响系数;K3是截割角的影响系数;F是截齿后面磨顿面积在截割平面上的投影面积，mm2;ri是第i个处于截割状态截齿到截割头回转轴线距离，mm;nj是处于截割区截齿数;ti是第i个截齿的截距，mm;θi是第i个截齿所处的截割位置;m是同一截线上安装截齿数。

由于纵轴式掘进机的截割头转速n恒定，因此无论截割臂以某一固定摆速在做水平或者是垂直运动，当突然遇到夹矸时，煤岩硬度f增加，截割电机输出功率大于额定功率，由电流变送器可检测出截割电机电流I突然变大。

4.2　截割轨迹规划及自动控制方法(www.xing528.com)

将应用较成熟的机器人路径规划方法—栅格法引用到纵轴式掘进机中，建立无机身位姿偏差的巷道断面栅格地图，并基于此地图对截割轨迹进行规划。

由于纵轴掘进机的截割头形状为球头圆锥形，投影到巷道断面为圆形，因此定义栅格地图的分辨率为截割头的半径，记作R，并以R为步长将整个巷道断面进行划分，则每个栅格的大小为R×R，若巷道断面宽度为x、高度为y，则每行的栅格数为Nx=x/R;每列的栅格数Ny=y/R，由此建立的地图如图4所示，分别表示了常见的矩形、梯形以及半圆拱形巷道断面的栅格划分情况。图4中圆形代表截割头，方形代表巷道断面可能出现的夹矸。

图4　巷道断面栅格地图

一般截割工序应掌握如下原则:①层理和节理发达的软煤，可沿巷道中心钻入，然后四面刷齐;②较均匀的中硬煤，一般从左下角钻进煤壁，扫底，然后自下向上截割;③对于硬煤，为了避免大块煤体脱落并便于装运，应采取由上向下截割。

根据此原则，并且考虑到掘进机是大质量体，通常截割臂只做简单的水平或垂直摆动，制定截割轨迹及自动控制流程如图5所示。首先判断煤岩硬度的大小，然后按照对应的截割轨迹，对油缸发出开启信号并设置阀口流量大小，对截割进行自动控制。当水平截割时，只开启回转油缸;当进行垂直或斜线截割时，需同时开启回转及升降油缸。此外，还要根据硬质点情况实时纠正当前断面的截割轨迹，通过加大或减小硬质点附近的截割步距，来躲避截割头与硬质点的直接碰撞，保护截割电机。

4.3　掘进机机身位姿偏差对截割轨迹的影响

在实际截割过程中，掘进机的机身位姿可能出现偏向、偏移、俯仰以及横滚等偏差，“偏向角”、“偏向位移”、“俯仰角”、“滚动角”和“截割头距巷道断面距离”，这五个参数全面描述了悬臂式掘进机机身在巷道内的各种位置、姿态，各参数对截割轨迹的影响见表1。

表1　机身位姿参数对截割轨迹的影响

若不进行纠偏，则所截割的断面将出现部分超挖、欠挖现象，出现机身位姿偏差时截割断面如图6所示。此时，需要对截割轨迹进行修正，根据各单项偏差及复合偏差情况来制定具体的纠偏策略，以达到智能化自主截割及定向掘进。

图5　自动截割控制流程图

图6　出现机身位姿偏差时截割断面示意图

1)对纵轴式掘进机自主截割控制技术展开了研究，首先对系统功能进行了设计，确定系统应具有截割轨迹规划、自动截割以及载荷自适应截割控制功能，并采用了PCC+智能工控面板的控制模式对系统进行了搭建，详细的介绍了系统的控制原理及各硬件组成。

2)设计了截割轨迹自主规划方法，依据煤岩硬度与截割臂摆速、截割电机转速之间的关系，对影响截割的环境因素进行了建模;采用栅格法建立了巷道断面栅格地图，介绍了常见巷道断面的地图构建方法，并依照截割工序，按照煤层软硬程度不同，制定了截割轨迹及自动控制流程;分析了掘进机机身位姿偏差对截割轨迹的影响。

3)本文从功能、原理以及软硬件方面对掘进机自主截割控制系统分别进行了阐述，对自主截割的三项关键技术之一的截割轨迹规划进行了重点研究，此外还有不确定约束的截割轨迹自主迹修正方法、另外两项关键技术——自动截割和载荷自适应截割，以及井下工业性试验还有待继续研究;与掘进机精准定位、位姿测控以及远程智能控制等方法融合，可最终实现智能化掘进。

参考文献:

［1］姜耀东，潘一山，姜福兴，等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治［J］.煤炭学报，2014，39(2):205－213.

［2］葛世荣.智能化采煤装备的关键技术［J］.煤炭科学技术，2014，42(9):7－11.

［3］刘建功，吴淼，魏景生，等.悬臂掘进机自动截割控制关键技术.中国煤炭，2008，34(12):54－57.

［4］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，2013，39(4):63－67.

［5］李晓鹏.煤矿探测机器人姿态控制与局部路径规划研究［D］.西安:西安科技大学，2011.

［6］田劼，杨阳，陈国强，等.纵轴式掘进机巷道断面自动截割成形控制方法［J］.煤炭学报，2009，34(1): 111－115.

［7］毛君，李建刚，陈洪月.掘进机器人仿形截割建模与轨迹仿真研究［J］.计算机仿真，2010，27(3):175－178.

［8］王苏彧，高峰，李睿，等.基于PCC的任意巷道断面自动截割成形控制系统［J］.煤炭学报，2013，38(S1): 261－266.

［9］高峰，王苏彧，高娟，等.掘进机截割臂摆速自动控制方法研究［J］.工矿自动化，2011(8):38－41.

(责任编辑　赵巧芝)

Autonomous cutting control system of longitudinal roadheader based on PCC

WANG Su－yu，WU Miao
( School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China)

Abstract：The longitudinal roadheader is adopted as the research object，the system control principle is introduced. The system is built with PCC and power panel. The method of cutting trajectory planning is mainly studied，the relation between coal hardness，swaying speed of cutting arm and revolving speed of motor are analyzed，in accordance with which the cutting environmental factor is modeled. Grid map of roadway section is built using grid method，cutting trajectory is planned based on the map which avoids the dirt band. Cutting trajectory and automatic control flow are separately set according to cutting processes and degree of coal hardness. And the influence to cutting trajectory caused by roadheader body position and pose is finally analyzed. The results show that，the system is set up initially and the other two key technologies and underground industrial tests are to be carried out.

Keywords：autonomous cutting; longitudinal roadheader; PCC; cutting trajectory planning; section grid map

中图分类号：TD421.5

文献标识码：A

文章编号：1671－0959(2016)06-0132-04