專利名稱：掘進機巷道自適應截割系統及自適應遙控方法
技術領域：
本發(fā)明涉及涉及一種掘進機巷道自適應截割系統及自適應遙控方法，屬于煤礦采掘設備應用技術領域。
背景技術：
掘進機巷道掘進工作環(huán)境惡劣，塵埃大，照明不足，瓦斯?jié)舛容^高，傳統手動操作掘進方式下操作人員掘進效率低，勞動強度大，并具有一定的危險性。長期以來，掘進機操作的安全與掘進效率問題一直是行業(yè)關注的重點。因此，有必要提供一種巷道斷面自適應截割遙控方法來克服上述缺陷，遠程遙控操作掘進機提高掘進效率，改善操作人員的勞動衛(wèi)生環(huán)境，減少人員傷害事故。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供掘進機巷道自適應截割系統及自適應遙控方法，實現對掘進機巷道自適應遙控截割操作，提高生產效率。為實現上述目的，本發(fā)明提供了掘進機巷道自適應截割遙控方法，包括構建巷道斷面自適應截割數據庫，接受并存儲掘進指令；軟件應用系統，監(jiān)測掘進機運行軌跡，監(jiān)測掘進機截割頭的伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸的伸縮量，存儲掘進機整機及截割頭的位姿及運行數據；遠程監(jiān)控系統，實時顯示掘進斷面工作情況，提供對左右行走馬達、左右星輪、運輸、支撐和鏟板的工作狀態(tài)顯示和控制；同時結合現場掘進機上PLC，完成遠程有線控制操作巷道自適應截割作業(yè)。本發(fā)明掘進機巷道自適應截割遙控方法步驟如下I)所述斷面自適應截割數據庫中輸入巷道高度、巷道寬度、斷面截割距參數，將上述參數儲存在一個等待輸入待截割斷面參數的PLC嵌入式可編程控制器上；2)所述斷面自適應截割數據庫在接受掘進指令參數后，生成一個斷面截割程序；3)遠程監(jiān)控系統采用激光測距儀跟蹤掘進機運行軌跡和位姿；采用拉線傳感器跟蹤掘進機截割頭的伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸行程位置，生成關于掘進機整機及截割頭的位姿測量程序；4)所述的測量程序結合用于待截割斷面尺寸的參數，被轉換成與掘進作業(yè)相關的控制程序，并且，所述巷道斷面參數在該控制程序運行時間時讀入。5)所述的掘進機整機位姿坐標的計算，由激光測距儀測量激光儀發(fā)射的光斑，根據煤巷地質測繪機構提供的激光測距儀安裝位置在大地坐標系中的絕對坐標和掘進機機身感應標靶坐標的數據來確定掘進機需要調整的量；6)所述的截割頭位姿坐標的計算，由拉線傳感器測量提供伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸的伸縮量確定截割頭在水平和垂直平面內的擺動幾何關系及位置；7)所述的斷面自適應截割控制程序，是在掘進機整機位姿調整好的基礎上，根據斷面參數，控制截割頭循環(huán)擺動，截割出所需斷面；8)遠程監(jiān)控系統，對掘進機截割斷面現場進行記錄，并傳遞至后方的第二監(jiān)視器；同時包括左右行走馬達、左右星輪、運輸、支撐和鏟板的工作狀態(tài)顯示和控制；9)所述的巷道斷面自適應截割作業(yè)過程，采用遠程監(jiān)控系統結合現場掘進機上PLC,完成自動控制、軟操作控制或手操作控制，上述三種控制方式均能夠實現無擾動切換。本發(fā)明的掘進機巷道自適應截割系統及自適應遙控方法，用于掘進機遠程線控系統，包括視頻監(jiān)視系統，低壓電氣控制系統，視頻監(jiān)視系統用以觀察掘進機截割動作及截割斷面情況，將攝像機獲取的圖像通過光端發(fā)射機將視頻信號轉化成光信號通過光纖傳輸出至遠程監(jiān)控站，監(jiān)控站將光纖傳輸過來的光信號通過光端接收機轉化成視頻信號，再通過視頻線的連接傳到硬盤錄像機和第一監(jiān)視器中顯示出來。 低壓電氣控制系統包括低壓電氣箱、電氣控制箱，低壓電氣箱中的PLC通過兩芯通信線直接與電氣控制箱中的PLC連接，低壓電氣箱中的PLC通過兩芯通信線再與遠程監(jiān)控站的中心PLC其中一個串口端口連接。所述視頻監(jiān)視系統包括分別安裝在掘進機截割部的兩側攝像機，攝像機與光端發(fā)射機通過視頻線連接，光端機把視頻信號轉化成光信號通過光纖傳輸至遠程監(jiān)控站；掘進機頂部兩側分別激光測距傳感器，掘進機各類油缸上分別安裝有拉線傳感器，掘進機上還分別設有比例閥控制器和壓力傳感器。所述低壓電氣箱和電氣控制箱均位于現場掘進機(采煤機)本體上。所述低壓電氣控制系統用于對掘進機或采煤機的油缸、馬達及電機進行控制、檢測和保護。所述的電氣控制箱部分負責對遙控系統的現場終端進行低壓電氣箱內保護報警信息、電機工作狀態(tài)信息處理、液壓系統的控制指令輸入、遠程上位機的操作命令響應。遠程監(jiān)控站包括監(jiān)控主機、遠程PLC和硬盤錄像機、操作按鈕。根據本發(fā)明的實施方式涉及的巷道自適應截割遙控方法，有如下效果(I)掘進效率高。本發(fā)明通過遙控方法實現巷道斷面自適應截割。掘進機整機和截割頭在工作中的位姿實時顯示，自動完成整機位姿調整和斷面循環(huán)截割，與現有人工操作方式相比，大幅提高了掘進效率。(2)可靠性強。本發(fā)明對掘進的控制方法采用了三種方式，即自動控制方式全部用自動控制程序完成掘進機現場行走和斷面采掘操作；軟操作控制方式在遠程監(jiān)視界面上，由操作人員通過人機操作界面改變系統工作參數，完成對在斷面工作的掘進機的操作；手操作控制方式保留原控制系統在現場的急停按鈕，操作人員可脫離遠程控制系統，在現場進行就地應急操作。以上三種控制方式可實現無擾動切換，即實現了遙控和程控自動化掘進作業(yè)，又保證了緊急情況下的應急處置。(3)安全性高。遠程遙控操作掘進機截割斷面，操作人員遠離危險的斷面作業(yè)環(huán)境，改善了操作人員的勞動衛(wèi)生環(huán)境，減少人員傷害事故。與現有技術相比，本發(fā)明更具有如下功能
(I)自行走尋跡。由煤巷地質數據生成掘進機的運動軌跡，實時監(jiān)測掘進機的坐標變化，由控制程序實現自行走尋跡功能。(2)自適應斷面截割。由自適應截割數據庫結合輸入的截割斷面參數，生成待截割斷面控制程序，通過控制截割頭的位置，引導截割頭執(zhí)行伸縮、回轉和升降動作，沿生成的截割工藝路徑行進，實現自適應斷面截割操作。


圖I為本發(fā)明的掘進機斷面自適應截割遙控方法的原理框圖；
圖2為本發(fā)明的掘進機整機位姿分析；圖3為本發(fā)明的掘進機截割頭垂直位姿分析；圖4為本發(fā)明的掘進機截割頭水平位姿分析；圖5為基于本發(fā)明方法的掘進機線控系統配置；圖6主程序控制流程框圖。
具體實施例方式本發(fā)明斷面自適應截割數據庫的構建于監(jiān)控系統實時監(jiān)測掘進機狀態(tài)參數、報警信息以及為運行人員提供掘進斷面的設置人機接口。數據庫開發(fā)軟件采用SQL Server2008 (服務器版)，針對掘進機運行狀態(tài)參數、報警信息以及巷道斷面成形控制參數進行入庫存儲。數據庫具體構建字段涵蓋(I)狀態(tài)數據主要包括掘進機截割電機電流、電壓信號；掘進機位姿參數(航向角、車體左邊界、車體右邊界)；油缸壓力參數；油缸行程參數。(2)報警數據針對掘進機油泵電機、截割電機、轉載電機的超載、短路、漏電、斷相情況生成一個報警數據表。報警數據全部長期保留，便于運行人員進行歷史數據查詢。(3)斷面成形設置參數主要包括巷道高度、巷道寬度、斷面截割距參數。接受并存儲掘進指令程序應用系統運行步驟如下首先進行程序初始化，運行自檢，查詢開始按鈕是否按下，如按下則載入車體軌跡，(若開始按鈕沒有按下，則繼續(xù)進行查尋開始按鈕是否按下程序，)載入車體軌跡后程序求得當前車體坐標與目標之間的偏差，并判斷當前掘進機是否應該達到目標的，如判斷是則發(fā)送安放支撐命令(如判斷否，則查詢是否有人工信號，有人工信號則進行行駛狀態(tài)及軌跡調整)，發(fā)送安放支撐命令后查詢是否安放好支撐，如放好支撐則檢查截割狀態(tài)(如沒有放好支撐，返回上一步)，檢查截割狀態(tài)后查詢是否收好支撐，如是返回載入車體軌跡界面(如否，返回上一步)，進入下一循環(huán)。本發(fā)明的掘進機巷道自適應遙控方法，采用激光測距儀、遠程監(jiān)控站、視頻監(jiān)視器設備，對掘進斷面位置、掘進機整體位姿及截割頭的位姿進行測量，在斷面自適應數據庫的支持下，生成的控制程序使遙控的掘進狀態(tài)處于最佳工作狀況，從而提高掘進效率，保障操作人員的安全性。其中整機位姿定位方式可通過激光測距儀獲得掘進機整機在慣性空間的絕對位置坐標。如圖I所示，掘進過程整機位姿偏差有圖I所示的4種情況。
不失一般性，掘進機整機位姿用一個8維變量描述，即P= [X，y，z, α，β，y , β 0, a](I)其中X :掘進機整機X維坐標；y :掘進機整機y維坐標；z :掘進機整機z維坐標；α :掘進機整機方位角；β :掘進機整機俯仰角；Y :掘進機整機橫滾角；β。掘進機整機坡度角；a :掘進機中心軸線與設計軸線的偏距。從參數描述可知，直接測量整機位姿需要確定8個參數，測量和計算所需硬件及軟件開銷較大，為此，本發(fā)明利用控制中的負反饋，結合測量原理基本公式δ = Da-Dr(2)其中Da :掘進機整機設計中心軸線上點的坐標數據；Dr :掘進機整機實際掘進移動過程中機身中心軸線上點的坐標數據。通過左、右距離巷道壁反饋值變化情況來保證掘進機行走處于“直線”軌跡。通過前身距離反饋值來定位掘進距離，實現掘進機的自動行走目標。另外，截割頭相對于掘進機整機的位置可描述為G= [Q1, ^1](3)其中a i :截割頭相對與掘進機整機的水平擺角；β i :截割頭相對與掘進機整機的垂直擺角；截割頭位姿定位可通過兩個平面投影關系來確定。從而將角度關系轉換為直角坐標來表達如圖3所示，掘進機截割頭垂直擺動時，升降油缸伸縮引起的桿長由L變化為L+Λ。有幾何投影關系知須同時滿足(xv+a)2+ (yv+b)2 = (L+ Δ )2⑷x2+y2 = I2(5)求出^值，考慮到回轉點到截割頭距離，設為為h，則截割頭的高度(距離水平線的監(jiān)控值)H為
權利要求
1.掘進機巷道自適應截割遙控方法，其特征在于，包括 構建巷道斷面自適應截割數據庫，接受并存儲掘進指令； 軟件應用系統，用于監(jiān)測掘進機運行軌跡，監(jiān)測掘進機截割頭的伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸的伸縮量，存儲掘進機整機及截割頭的位姿及運行數據； 遠程監(jiān)控系統，實時顯示掘進斷面工作情況，提供對左右行走馬達、左右星輪、運輸、支撐和鏟板的工作狀態(tài)顯示和控制；同時結合現場掘進機上PLC，完成遠程有線控制操作巷道自適應截割作業(yè)。
2.如權利要求I所述的掘進機巷道自適應截割遙控方法，其特征在于截割遙控方法步驟如下 1)所述斷面自適應截割數據庫中輸入巷道高度、巷道寬度、斷面截割距參數，將上述參數儲存在一個等待輸入待截割斷面參數的PLC嵌入式可編程控制器上； 2)所述斷面自適應截割數據庫在接受掘進指令參數后，生成一個斷面截割程序； 3)遠程監(jiān)控系統采用激光測距傳感器跟蹤掘進機運行軌跡和位姿；采用拉線傳感器跟蹤掘進機截割頭的伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸行程位置，生成關于掘進機整機及截割頭的位姿測量程序； 4)所述的測量程序結合用于待截割斷面尺寸的參數，被轉換成與掘進作業(yè)相關的控制程序，并且，所述巷道斷面參數在該控制程序運行時間時讀入。
5)所述的掘進機整機位姿坐標的計算，由激光測距傳感器測量激光導向儀發(fā)射的光斑，根據煤巷地質測繪機構提供的激光導向儀安裝位置在大地坐標系中的絕對坐標和掘進機身感應標靶坐標的數據來確定掘進機需要調整的量； 6)所述的截割頭位姿坐標的計算，由拉線傳感器測量提供伸縮油缸、回轉油缸和升降油缸的伸縮量確定截割頭在水平和垂直平面內的擺動幾何關系及位置； 7)所述的斷面自適應截割控制程序，是在掘進機整機位姿調整好的基礎上，根據斷面參數，控制截割頭循環(huán)擺動，截割出所需斷面； 8)遠程監(jiān)控系統，對掘進機截割斷面現場進行記錄，并傳遞至后方的第二監(jiān)視器；同時包括左右行走馬達、左右星輪、運輸、支撐和鏟板的工作狀態(tài)顯示和控制； 9)所述的巷道斷面自適應截割作業(yè)過程，采用遠程監(jiān)控系統結合現場掘進機上PLC，完成自動控制、軟操作控制或手操作控制，上述三種控制方式均能夠實現無擾動切換。
3.掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于包括視頻監(jiān)視系統，低壓電氣控制系統，視頻監(jiān)視系統用以觀察掘進機截割動作及截割斷面情況，將攝像機獲取的圖像通過光端發(fā)射機將視頻信號轉化成光信號通過光纖傳輸出至遠程監(jiān)控站，監(jiān)控站將光纖傳輸過來的光信號通過光端接收機轉化成視頻信號，再通過視頻線的連接傳到硬盤錄像機和第一監(jiān)視器中顯示出來。
低壓電氣控制系統包括低壓電氣箱、電氣控制箱，低壓電氣箱中的PLC通過兩芯通信線直接與電氣控制箱中的PLC連接，低壓電氣箱中的PLC通過兩芯通信線再與遠程監(jiān)控站的中心PLC其中一個串口端口連接。
4.如權利要求3所述的掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于視頻監(jiān)視系統包括分別安裝在掘進機截割部的兩側攝像機，攝像機與光端發(fā)射機通過視頻線連接，光端機把視頻信號轉化成光信號通過光纖傳輸至遠程監(jiān)控站；掘進機頂部兩側分別激光測距傳感器，掘進機各類油缸上分別安裝有拉線傳感器，掘進機上還分別設有比例閥控制器和壓カ傳感器。
5.如權利要求3所述的掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于低壓電氣箱和電氣控制箱均位于現場連續(xù)采煤機、掘進機本體上。
6.如權利要求3所述的掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于，低壓電氣控制系統用于對掘進機或采煤機的油缸、馬達及電機進行控制、檢測和保護。
7.根據權利要3所述的掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于，所述的電氣控制箱部分負責對遙控系統的現場終端進行低壓電氣箱內保護報警信息、電機工作狀態(tài)信息處理、液壓系統的控制指令輸入、遠程上位機的操作命令響應。
8.根據權利要3所述的掘進機巷道自適應截割系統，其特征在于，所述遠程監(jiān)控站包括監(jiān)控主機、遠程PLC和硬盤錄像機、操作按鈕。
全文摘要
本發(fā)明涉及涉及一種掘進機巷道自適應截割系統及自適應遙控方法，屬于煤礦采掘設備應用技術領域。本發(fā)明通過構建巷道斷面自適應截割數據庫，通過軟件應用系統，監(jiān)測掘進機運行軌跡，存儲掘進機整機及截割頭的位姿及運行數據；通過遠程監(jiān)控系統，實時顯示掘進斷面工作情況，同時結合現場掘進機上PLC，完成遠程有線控制操作巷道自適應截割作業(yè)。本發(fā)明掘進機整機和截割頭在工作中的位姿實時顯示，自動完成整機位姿調整和斷面循環(huán)截割，掘進效率高，可靠性強，遠程遙控操作掘進機截割斷面，操作人員遠離危險的斷面作業(yè)環(huán)境，改善了操作人員的勞動衛(wèi)生環(huán)境，減少人員傷害事故，安全性高。
文檔編號G05B19/18GK102854838SQ20121033665
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權日2012年8月29日
發(fā)明者高樹軍, 李丹, 石明全, 郭養(yǎng)臣, 孫勇剛, 陳勇強, 杜建, 趙建林, 王祺, 王曉東, 宗偉, 王穎, 李清云, 李淑珍, 周全, 王麗萍, 張朝霞, 岳進偉, 金教智, 劉正偉, 崔淑梅, 羅宏宇, 陳占巍 申請人:內蒙古北方重工業(yè)集團有限公司