CN102854838B - 掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，属于煤矿采掘设备应用技术领域。本发明通过构建巷道断面自适应截割数据库，通过软件应用系统，监测掘进机运行轨迹，存储掘进机整机及截割头的位姿及运行数据；通过远程监控系统，实时显示掘进断面工作情况，同时结合现场掘进机上PLC，完成远程有线控制操作巷道自适应截割作业。本发明掘进机整机和截割头在工作中的位姿实时显示，自动完成整机位姿调整和断面循环截割，掘进效率高，可靠性强，远程遥控操作掘进机截割断面，操作人员远离危险的断面作业环境，改善了操作人员的劳动卫生环境，减少人员伤害事故，安全性高。

Description

掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法

技术领域：

本发明涉及涉及一种掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，属于煤矿采掘设备应用技术领域。

背景技术：

掘进机巷道掘进工作环境恶劣，尘埃大，照明不足，瓦斯浓度较高，传统手动操作掘进方式下操作人员掘进效率低，劳动强度大，并具有一定的危险性。长期以来，掘进机操作的安全与掘进效率问题一直是行业关注的重点。因此，有必要提供一种巷道断面自适应截割遥控方法来克服上述缺陷，远程遥控操作掘进机提高掘进效率，改善操作人员的劳动卫生环境，减少人员伤害事故。

发明内容：

本发明的目的是提供掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，实现对掘进机巷道自适应遥控截割操作，提高生产效率。

为实现上述目的，本发明提供了掘进机巷道自适应截割遥控方法，包括：

构建巷道断面自适应截割数据库，接受并存储掘进指令；

软件应用系统，监测掘进机运行轨迹，监测掘进机截割头的伸缩油缸、回转油缸和升降油缸的伸缩量，存储掘进机整机及截割头的位姿及运行数据；

远程监控系统，实时显示掘进断面工作情况，提供对左右行走马达、左右星轮、运输、支撑和铲板的工作状态显示和控制；同时结合现场掘进机上PLC，完成远程有线控制操作巷道自适应截割作业。

本发明掘进机巷道自适应截割遥控方法步骤如下：

1)所述断面自适应截割数据库中输入巷道高度、巷道宽度、断面截割距参数，将上述参数储存在一个等待输入待截割断面参数的PLC嵌入式可编程控制器上；

2)所述断面自适应截割数据库在接受掘进指令参数后，生成一个断面截割程序；

3)远程监控系统采用激光测距仪跟踪掘进机运行轨迹和位姿；采用拉线传感器跟踪掘进机截割头的伸缩油缸、回转油缸和升降油缸行程位置，生成关于掘进机整机及截割头的位姿测量程序；

4)所述的测量程序结合用于待截割断面尺寸的参数，被转换成与掘进作业相关的控制程序，并且，所述巷道断面参数在该控制程序运行时间时读入。

5)所述的掘进机整机位姿坐标的计算，由激光测距仪测量激光仪发射的光斑，根据煤巷地质测绘机构提供的激光测距仪安装位置在大地坐标系中的绝对坐标和掘进机机身感应标靶坐标的数据来确定掘进机需要调整的量；

6)所述的截割头位姿坐标的计算，由拉线传感器测量提供伸缩油缸、回转油缸和升降油缸的伸缩量确定截割头在水平和垂直平面内的摆动几何关系及位置；

7)所述的断面自适应截割控制程序，是在掘进机整机位姿调整好的基础上，根据断面参数，控制截割头循环摆动，截割出所需断面；

8)远程监控系统，对掘进机截割断面现场进行记录，并传递至后方的第二监视器；同时包括左右行走马达、左右星轮、运输、支撑和铲板的工作状态显示和控制；

9)所述的巷道断面自适应截割作业过程，采用远程监控系统结合现场掘进机上PLC，完成自动控制、软操作控制或手操作控制，上述三种控制方式均能够实现无扰动切换。

本发明的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，用于掘进机远程线控系统，包括：视频监视系统，低压电气控制系统，

视频监视系统用以观察掘进机截割动作及截割断面情况，将摄像机获取的图像通过光端发射机将视频信号转化成光信号通过光纤传输出至远程监控站，监控站将光纤传输过来的光信号通过光端接收机转化成视频信号，再通过视频线的连接传到硬盘录像机和第一监视器中显示出来。

低压电气控制系统包括低压电气箱、电气控制箱，低压电气箱中的PLC通过两芯通信线直接与电气控制箱中的PLC连接，低压电气箱中的PLC通过两芯通信线再与远程监控站的中心PLC其中一个串口端口连接。

所述视频监视系统包括分别安装在掘进机截割部的两侧摄像机，摄像机与光端发射机通过视频线连接，光端机把视频信号转化成光信号通过光纤传输至远程监控站；掘进机顶部两侧分别激光测距传感器，掘进机各类油缸上分别安装有拉线传感器，掘进机上还分别设有比例阀控制器和压力传感器。

所述低压电气箱和电气控制箱均位于现场掘进机(采煤机)本体上。

所述低压电气控制系统用于对掘进机或采煤机的油缸、马达及电机进行控制、检测和保护。

所述的电气控制箱部分负责对遥控系统的现场终端进行低压电气箱内保护报警信息、电机工作状态信息处理、液压系统的控制指令输入、远程上位机的操作命令响应。

远程监控站包括监控主机、远程PLC和硬盘录像机、操作按钮。

根据本发明的实施方式涉及的巷道自适应截割遥控方法，有如下效果：

(1)掘进效率高。本发明通过遥控方法实现巷道断面自适应截割。掘进机整机和截割头在工作中的位姿实时显示，自动完成整机位姿调整和断面循环截割，与现有人工操作方式相比，大幅提高了掘进效率。

(2)可靠性强。本发明对掘进的控制方法采用了三种方式，即：

自动控制方式：全部用自动控制程序完成掘进机现场行走和断面采掘操作；

软操作控制方式：在远程监视界面上，由操作人员通过人机操作界面改变系统工作参数，完成对在断面工作的掘进机的操作；

手操作控制方式：保留原控制系统在现场的急停按钮，操作人员可脱离远程控制系统，在现场进行就地应急操作。

以上三种控制方式可实现无扰动切换，即实现了遥控和程控自动化掘进作业，又保证了紧急情况下的应急处置。

(3)安全性高。远程遥控操作掘进机截割断面，操作人员远离危险的断面作业环境，改善了操作人员的劳动卫生环境，减少人员伤害事故。

与现有技术相比，本发明更具有如下功能：

(1)自行走寻迹。由煤巷地质数据生成掘进机的运动轨迹，实时监测掘进机的坐标变化，由控制程序实现自行走寻迹功能。

(2)自适应断面截割。由自适应截割数据库结合输入的截割断面参数，生成待截割断面控制程序，通过控制截割头的位置，引导截割头执行伸缩、回转和升降动作，沿生成的截割工艺路径行进，实现自适应断面截割操作。

附图说明：

图1为本发明的掘进机断面自适应截割遥控方法的原理框图；

图2为本发明的掘进机整机位姿分析；

图3为本发明的掘进机截割头垂直位姿分析；

图4为本发明的掘进机截割头水平位姿分析；

图5为基于本发明方法的掘进机线控系统配置；

图6主程序控制流程框图。

具体实施方式

本发明断面自适应截割数据库的构建于监控系统实时监测掘进机状态参数、报警信息以及为运行人员提供掘进断面的设置人机接口。数据库开发软件采用SQLServer2008(服务器版)，针对掘进机运行状态参数、报警信息以及巷道断面成形控制参数进行入库存储。

数据库具体构建字段涵盖：

(1)状态数据：主要包括掘进机截割电机电流、电压信号；掘进机位姿参数(航向角、车体左边界、车体右边界)；油缸压力参数；油缸行程参数。

(2)报警数据：针对掘进机油泵电机、截割电机、转载电机的超载、短路、漏电、断相情况生成一个报警数据表。报警数据全部长期保留，便于运行人员进行历史数据查询。

(3)断面成形设置参数：主要包括巷道高度、巷道宽度、断面截割距参数。

接受并存储掘进指令：

程序应用系统运行步骤如下：首先进行程序初始化，运行自检，查询开始按钮是否按下，如按下则载入车体轨迹，(若开始按钮没有按下，则继续进行查寻开始按钮是否按下程序，)载入车体轨迹后程序求得当前车体坐标与目标之间的偏差，并判断当前掘进机是否应该达到目标的，如判断是则发送安放支撑命令(如判断否，则查询是否有人工信号，有人工信号则进行行驶状态及轨迹调整)，发送安放支撑命令后查询是否安放好支撑，如放好支撑则检查截割状态(如没有放好支撑，返回上一步)，检查截割状态后查询是否收好支撑，如是返回载入车体轨迹界面(如否，返回上一步)，进入下一循环。

本发明的掘进机巷道自适应遥控方法，采用激光测距仪、远程监控站、视频监视器设备，对掘进断面位置、掘进机整体位姿及截割头的位姿进行测量，在断面自适应数据库的支持下，生成的控制程序使遥控的掘进状态处于最佳工作状况，从而提高掘进效率，保障操作人员的安全性。其中：

整机位姿定位方式可通过激光测距仪获得掘进机整机在惯性空间的绝对位置坐标。如图1所示，掘进过程整机位姿偏差有图1所示的4种情况。

不失一般性，掘进机整机位姿用一个8维变量描述，即

P＝[x，y，z，α，β，γ，β₀，a](1)

其中：

x：掘进机整机x维坐标；

y：掘进机整机y维坐标；

z：掘进机整机z维坐标；

α：掘进机整机方位角；

β：掘进机整机俯仰角；

γ：掘进机整机横滚角；

β₀：掘进机整机坡度角；

a：掘进机中心轴线与设计轴线的偏距。

从参数描述可知，直接测量整机位姿需要确定8个参数，测量和计算所需硬件及软件开销较大，为此，本发明利用控制中的负反馈，结合测量原理基本公式

δ＝D_a-D_r(2)

其中：

D_a：掘进机整机设计中心轴线上点的坐标数据；

D_r：掘进机整机实际掘进移动过程中机身中心轴线上点的坐标数据。

通过左、右距离巷道壁反馈值变化情况来保证掘进机行走处于“直线”轨迹。通过前身距离反馈值来定位掘进距离，实现掘进机的自动行走目标。

另外，截割头相对于掘进机整机的位置可描述为

G＝[α₁，β₁](3)

其中：

α₁：截割头相对与掘进机整机的水平摆角；

β₁：截割头相对与掘进机整机的垂直摆角；

截割头位姿定位可通过两个平面投影关系来确定。从而将角度关系转换为直角坐标来表达

如图3所示，掘进机截割头垂直摆动时，升降油缸伸缩引起的杆长由L变化为L+Δ。有几何投影关系知须同时满足

(x_v+a)²+(y_v+b)²＝(L+Δ)²(4)

x²+y²＝l²(5)

求出y_v值，考虑到回转点到截割头距离，设为为h，则截割头的高度(距离水平线的监控值)H为：

$H=\frac{h}{l}{y}_v---\left(6\right)$

如图4所示，掘进机截割头水平摆动时，回转油缸伸缩引起的杆长由L变化为L+Δ。有几何投影关系知满足

$\frac{y_h}{l_f}=\frac{\mathrm{\Δ}}{\sqrt{{\mathrm{\Δ}}^2+{(w_d/2)}^2}}---\left(7\right)$

求出y_h值，即为截割头的水平转动位置坐标。

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

本发明的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，用于掘进机远程线控系统，实现自行走寻迹和自适应断面截割功能，包括工控机、比例阀控制器、操作按钮、激光测距仪、PLC可编程逻辑控制器、拉线传感器、压力传感器、硬盘录像机、第一监视器和第二监视器。

在本发明的优选施例中，所述可编程逻辑控制器选用西门子S7-200CN系列PLC；所述的激光测距仪6采用RS482串行接口，测量距离0.5m～50m，最高精度±3mm，量测时间小于3s；所述的拉线传感器6测量行程：0-400mm，分辨率：≤0.1mm。激光测距仪4跟踪掘进机运行轨迹和位姿；采用拉线传感器6跟踪掘进机截割头的伸缩油缸、回转油缸和升降油缸行程位置，生成关于掘进机整机及截割头的位姿测量程序。断面自适应截割数据库根据整机位姿和截割头位姿数据，结合通过监控主机1输入的断面参数，生成截割控制程序，驱动截割头产生回转、伸缩和升降动作，截割出所需断面。

本发明的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，用于掘进机远程线控系统，系统包括：视频监视系统，低压电气控制系统，

视频监视系统用以观察掘进机截割动作及截割断面情况，将摄像机获取的图像通过光端发射机将视频信号转化成光信号通过光纤传输出至远程监控站，监控站将光纤传输过来的光信号通过光端接收机转化成视频信号，再通过视频线的连接传到硬盘录像机和第一监视器中显示出来。

低压电气控制系统，低压电气箱、电气控制箱，低压电气箱中的PLC通过两芯通信线直接与电气控制箱中的PLC连接，低压电气箱中的PLC通过两芯通信线再与远程监控站的中心PLC其中一个串口端口连接。

视频监视系统包括分别安装在掘进机截割部的两侧摄像机，摄像机与光端发射机通过视频线连接，光端机把视频信号转化成光信号通过光纤传输至远程监控站；掘进机顶部两侧分别激光测距传感器，掘进机各类油缸上分别安装有拉线传感器，掘进机上还分别设有比例阀控制器和压力传感器。

低压电气箱和电气控制箱均位于现场掘进机(采煤机)本体上，低压电气控制系统用于对掘进机或采煤机的油缸、马达及电机进行控制、检测和保护。

所述的电气控制箱部分负责对遥控系统的现场终端进行低压电气箱内保护报警信息、电机工作状态信息处理、液压系统的控制指令输入、远程监控站的操作命令响应。

所述远程监控站包括监控主机、远程PLC和硬盘录像机、操作按钮。

本发明线控系统采用嵌入式可编程逻辑控制器(PLC)作为下位机，配以远程监控站作为上位机。上、下位机之间通过RS482通信方式进行联接。线控系统基本工作原理如下：采集得到的传感器信号和各种工位状态信号送入PLC输入单元(模拟量输入模块AI和数字量输入模块DI)，进行信息处理(包括：数据采集、分析运算、工位判断、控制方式切换)，处理结果经模拟量输出模块(AO)直接控制电磁阀(比例阀)进行液压控制、或数字量输出模块(DO)至电气控制箱，驱动电机正、反转动作。运行状态数据经MPI/RS482通讯线缆送到远程监控站通过第二监视器进行图形化界面显示。远程监控站在上位机监控程序控制下通过RS482接口转换器与CPU模块进行通讯，读取/改写控制状态、控制参数并完成数据监视、手/自动切换处理等工作。

本发明采掘工艺流程，开机时先接通整机电源，电铃响10秒。然后依次接通后转载机电机、泵站电机、刮板马达、星轮马达、截割电机。然后各类油缸即可执行相应的动作。油缸动作时不允许多个油缸同时动作，只允许执行其中一个动作。整机截割前截割臂要求处于水平中位状态(掘进机初始位置)，以便于整机零位的确定。

横截割头的钻进截割，根据横截割头的特点，一般开槽钻进时每进0.11m时向左(右)摆动0.3m距离，以便截割两截割头中间的煤岩，方可再次进刀直至开槽钻进到0.42m，开槽钻进深度视煤岩坚硬程度来确定，针对煤岩一般钻进深度为0.42m(伸缩油缸行程)。

所述的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，用于掘进机远程线控系统，执行自行走寻迹策略。由激光测距仪获得掘进机车体在惯性空间的绝对位置坐标，通过左、右距离巷道壁反馈值变化情况来保证掘进机行走处于“直线”轨迹。通过前身距离反馈值来定位掘进距离，实现掘进机的自动行走目标。

所述的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，用于掘进机远程线控系统，执行断面自适应截割策略。由拉线传感器获得伸缩油缸、回转油缸以及升降油缸的相对坐标，再根据掘进机掘进部件的机械结构尺寸参数(连杆距离、油缸行程等)计算其俯仰角和截割头坐标定位。考虑截割操作进程的稳定性，采取由下向上式分段扫描式自动切割策略，对当前截割断面分成若干水平层面，通过自动调节升降油缸的行程定位到某一水平面，再通过调节回转油缸行程对该水平面进行截割操作。在当前断面截割完毕后截割头自动复位，通过自动调节伸缩油缸的伸缩量进行新煤层断面的跟进，实现循环采掘工作。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (3)

1.掘进机巷道自适应截割系统的自适应遥控方法，其特征在于，包括：

构建巷道断面自适应截割数据库，接受并存储掘进指令；

软件程序系统，监测掘进机运行轨迹，监测掘进机截割头的伸缩油缸、回转油缸和升降油缸的伸缩量，存储掘进机整机及截割头的位姿及运行数据；

远程监控系统，实时显示掘进断面工作情况，提供对左右行走马达、左右星轮、运输、支撑和铲板的工作状态显示和控制；同时结合现场掘进机上PLC，完成远程有线控制操作巷道自适应截割作业；

截割遥控步骤如下：

1）所述断面自适应截割数据库中输入巷道高度、巷道宽度、断面截割距参数，将上述参数储存在一个等待输入待截割断面参数的PLC嵌入式可编程控制器上；

2）所述断面自适应截割数据库在接受掘进指令参数后，生成一个断面截割程序；

3）远程监控系统采用激光测距传感器跟踪掘进机运行轨迹和位姿；采用拉线传感器跟踪掘进机截割头的伸缩油缸、回转油缸和升降油缸行程位置，生成关于掘进机整机及截割头的位姿测量程序；

4）所述的测量程序结合用于待截割断面尺寸的参数，被转换成与掘进作业相关的控制程序，并且，所述巷道断面参数在该控制程序运行时间时读入；

5）所述的掘进机整机位姿坐标的计算，由激光测距传感器测量激光导向仪发射的光斑，根据煤巷地质测绘机构提供的激光导向仪安装位置在大地坐标系中的绝对坐标和掘进机身感应标靶坐标的数据来确定掘进机需要调整的量；

6）所述的截割头位姿坐标的计算，由拉线传感器测量提供伸缩油缸、回转油缸和升降油缸的伸缩量确定截割头在水平和垂直平面内的摆动几何关系及位置；

7）所述的断面自适应截割控制程序，是在掘进机整机位姿调整好的基础上，根据断面参数，控制截割头循环摆动，截割出所需断面；

8）远程监控系统，对掘进机截割断面现场进行记录，并传递至后方的第二监视器；同时包括左右行走马达、左右星轮、运输、支撑和铲板的工作状态显示和控制；

9）所述的巷道断面自适应截割作业过程，采用远程监控系统结合现场掘进机上PLC，完成自动控制、软操作控制或手操作控制，上述三种控制方式均能够实现无扰动切换。

2.根据权利要求1所述的掘进机巷道自适应截割遥控方法，其特征在于，安装在掘进机截割部的两侧摄像机组成视频监视系统，摄像机与光端发射机通过视频线连接，光端发射机把视频信号转化成光信号通过光纤传输至远程监控站；掘进机顶部两侧分别设有激光测距传感器，掘进机各类油缸上分别安装有拉线传感器，掘进机上还分别设有比例阀控制器和压力传感器；

所述视频监视系统用以观察掘进机截割动作及截割断面情况，将摄像机获取的图像通过光端发射机将视频信号转化成光信号通过光纤传输出至远程监控站，监控站将光纤传输过来的光信号通过光端接收机转化成视频信号，再通过视频线的连接传到硬盘录像机和第一监视器中显示出来；

所述远程监控站的中心PLC其中一个串口端口与低压电气箱中的PLC通过两芯通信线连接，低压电气箱中的PLC通过两芯通信线直接与电气控制箱中的PLC连接；

所述低压电气箱和电气控制箱均位于现场连续采煤机、掘进机本体上；

所述低压电气控制系统用于对掘进机或采煤机的油缸、马达及电机进行控制、检测和保护。

所述的电气控制箱部分负责对遥控系统的现场终端进行低压电气箱内保护报警信息、电机工作状态信息处理、液压系统的控制指令输入、远程上位机的操作命令响应。

3.根据权利要2所述的掘进机巷道自适应截割系统及自适应遥控方法，其特征在于，所述远程监控站包括监控主机、远程PLC和硬盘录像机、操作按钮。