本發(fā)明專利涉及掘進(jìn)工程自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在國家近期的能源發(fā)展規(guī)劃中，我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比預(yù)計從2015年的64%降低至2035年的42%。隨著能源消耗總量的不斷增加，地下煤炭開采在很長時間內(nèi)仍然是支撐我國經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

但是，由于工況環(huán)境惡劣及采掘裝備的可靠性和自動化水平低，煤炭生產(chǎn)目前仍屬于高危行業(yè)。對于綜掘工作面，存在機(jī)械系統(tǒng)可靠性低、自動化水平低、工人勞動強(qiáng)度大、危險程度高等突出問題。尤其是半煤巖巷道，夾雜著夾矸等較硬巖石，截割頭在截割到較硬巖石時，會出現(xiàn)截割電流突然增加、機(jī)體振動加劇、截割頭磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。

目前，掘進(jìn)機(jī)中已經(jīng)有應(yīng)用調(diào)節(jié)截割頭的牽引速度進(jìn)行自適應(yīng)截割的控制方法，但是，由于掘進(jìn)機(jī)的強(qiáng)干擾和大振動，使得該系統(tǒng)不能準(zhǔn)確得進(jìn)行自適應(yīng)截割。如果僅調(diào)整牽引速度，會使截割速度與牽引速度的配比出現(xiàn)問題，導(dǎo)致煤巖切削厚度減小，粉塵濃度增大，截割比能耗增大。因此，為了提高掘進(jìn)機(jī)截割頭的工作效率、提高截割頭截割性能和掘進(jìn)機(jī)自動化水平，需要設(shè)計更加優(yōu)越的截割頭自適應(yīng)截割方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種新型鋼絲繩無損檢測裝置及檢測方法，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確檢測出正在截割煤巖的硬度，并根據(jù)煤巖硬度在線控制截割頭的牽引速度和截割速度，使截割頭發(fā)揮出最佳的截割性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)，包括截割狀態(tài)監(jiān)測模塊、截割數(shù)據(jù)處理模塊和截割狀態(tài)控制模塊；所述截割狀態(tài)檢測模塊包括聲頻傳感器、紅外熱成像儀、截割電機(jī)電流傳感器和油缸壓力傳感器，所述聲頻傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上；所述紅外熱成像儀安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上，其鏡頭對準(zhǔn)截割頭；所述截割電機(jī)電流傳感器設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)的截割臂內(nèi)部，與截割電機(jī)安裝在一起；所述油缸壓力傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)的升降液壓缸與和回轉(zhuǎn)液壓缸上；可以為管理人員提供實(shí)時的視頻檢測和聲音、震動等信息，便于開掘現(xiàn)場的調(diào)度和管理。

所述數(shù)據(jù)處理模塊的嵌入式處理器實(shí)時獲取截割狀態(tài)檢測模塊的信息，經(jīng)過濾波去噪、特征提取等數(shù)據(jù)處理后，計算出煤巖硬度，然后選擇最佳截割截割參數(shù)，并將最佳截割截割參數(shù)發(fā)送給截割狀態(tài)控制模塊；自動化的參數(shù)選擇方式極大提高了生產(chǎn)效率，并為管理人員提供了詳細(xì)的參考信息。

所述截割狀態(tài)控制模塊的plc處理器根據(jù)最佳截割運(yùn)動參數(shù)與實(shí)時測量的當(dāng)前截割運(yùn)動參數(shù)，對掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，通過變頻器對截割電機(jī)進(jìn)行調(diào)速處理，通過比例閥實(shí)現(xiàn)對截割臂升降液壓缸或回轉(zhuǎn)液壓缸的調(diào)速處理。變頻器的節(jié)能和高可靠性特點(diǎn)提高了掘進(jìn)工作的效益比，更有利于投資的快速回收。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，所述截割狀態(tài)控制模塊還包括遠(yuǎn)程人工交互界面；所述截割臂內(nèi)的減速器輸出軸上安有裝編碼器，所述升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)各安裝有內(nèi)置位移傳感器。上述遠(yuǎn)程交互界面一般設(shè)置在地面控制室內(nèi)，同時設(shè)置在掘進(jìn)工程進(jìn)口處和掘進(jìn)面后方，可以為不同人員提供實(shí)時的參考信息；將截割狀態(tài)、截割頭運(yùn)動位置、預(yù)測煤巖硬度等信息發(fā)送給人機(jī)界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與人工干預(yù)調(diào)整。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，所述數(shù)據(jù)處理模塊還包括不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫；該煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫為掘進(jìn)作業(yè)提供動態(tài)參數(shù)支持，可以滿足不同巖層的掘進(jìn)要求，根據(jù)煤巖硬度在線控制截割頭的牽引速度和截割速度，提高了掘進(jìn)效率。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，包括以下步驟：

a．截割狀態(tài)監(jiān)測模塊采集掘進(jìn)機(jī)的聲頻、溫度場、截割電機(jī)電流和油缸壓力等信號，并傳輸給截割數(shù)據(jù)處理模塊；

b.截割數(shù)據(jù)處理模塊將步驟a中的信號依次進(jìn)行濾波去噪、特征提取等處理后，再經(jīng)模糊神經(jīng)推理算法計算出待截割煤巖的硬度；然后根據(jù)不同煤巖硬度在最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫選擇最佳截割運(yùn)動參數(shù)，并將最佳截割運(yùn)動參數(shù)發(fā)送給截割狀態(tài)控制模塊；

c.截割狀態(tài)控制模塊根據(jù)最佳截割運(yùn)動參數(shù)與實(shí)時測量的當(dāng)前截割運(yùn)動參數(shù)，對掘進(jìn)機(jī)的截割頭的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，使截割頭達(dá)到最佳的截割運(yùn)動參數(shù)；

d.截割數(shù)據(jù)處理模塊和截割狀態(tài)監(jiān)測模塊可同時與遠(yuǎn)程人機(jī)界面相互通信，并實(shí)時將截割狀態(tài)、截割頭運(yùn)動位置、預(yù)測煤巖硬度等信息發(fā)送給人機(jī)界面；

e.重復(fù)步驟a至步驟c，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)截割控制。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，所述步驟b中的不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立需要在前期進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，以截割粉塵濃度、截割比能耗、截齒磨損率與工作效率之比、截割塊煤率等指標(biāo)為目標(biāo)參數(shù)，對不同硬度系列煤巖進(jìn)行回轉(zhuǎn)截割實(shí)驗(yàn)，使用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法計算每種煤巖硬度下最佳的截割運(yùn)動參數(shù)，最終建立不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫；在進(jìn)行不同硬度系列煤巖回轉(zhuǎn)截割實(shí)驗(yàn)時，配置所述的截割狀態(tài)監(jiān)測模塊各傳感器，所得數(shù)據(jù)可為所述的模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)的訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

使用多傳感器融合的方法對截割狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，通過大量實(shí)驗(yàn)設(shè)計、訓(xùn)練模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測正在截割的煤巖硬度，精度較高、可靠性好，使用嵌入式系統(tǒng)對傳感器信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、特征提取，速度快、實(shí)時性好。

可以根據(jù)煤巖硬度實(shí)時控制截割頭的牽引速度和截割速度，使截割頭發(fā)揮出最佳的截割性能，提高工作效率、降低截齒磨損、提高截割塊煤率、降低截割比能耗、降低粉塵濃度；實(shí)現(xiàn)截割頭的自適應(yīng)截割，提高掘進(jìn)機(jī)的自動化水平。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：

圖1是本發(fā)明控制系統(tǒng)各部件安裝布置示意圖；

圖2是本發(fā)明控制系統(tǒng)控制流程示意圖；

圖3是本發(fā)明煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行流程示意圖。

其中：1、截割頭；2、編碼器；3、聲頻傳感器；4、截割臂；5、紅外熱成像儀；6、截割電機(jī)電流傳感器；7、油缸壓力傳感器；8、內(nèi)置位移傳感器；9、截割數(shù)據(jù)處理模塊；10、隔振器；11、懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體；12、截割狀態(tài)控制模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示的掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1、截割狀態(tài)監(jiān)測模塊、截割數(shù)據(jù)處理模塊9和截割狀態(tài)控制模塊12，可以根據(jù)煤巖硬度實(shí)時控制截割頭的牽引速度和截割速度，使截割頭發(fā)揮出最佳的截割性能，提高工作效率、降低截齒磨損、提高截割塊煤率、降低截割比能耗、降低粉塵濃度；實(shí)現(xiàn)截割頭的自適應(yīng)截割，提高掘進(jìn)機(jī)的自動化水平。

截割狀態(tài)監(jiān)測模塊包括聲頻傳感器3、紅外熱成像儀5、截割電機(jī)電流傳感器6、油缸壓力傳感器8；聲頻傳感器3安裝在截割臂4上，用于采集截割頭1截割聲頻；紅外熱成像儀5安裝在截割臂4上，鏡頭對準(zhǔn)截割頭1，左右各一，用于采集截割溫度場；

截割電機(jī)電流傳感器6安裝在截割臂4內(nèi)部，與截割電機(jī)安裝在一起，用于檢測截割電機(jī)的電流；油缸壓力傳感器8安裝在液壓缸內(nèi)部，升降液壓缸與回轉(zhuǎn)液壓缸各安裝一個，用于檢測液壓缸受力。截割數(shù)據(jù)處理模塊9和截割狀態(tài)控制模塊12包括嵌入式系統(tǒng)與plc系統(tǒng)，截割數(shù)據(jù)處理模塊9和截割狀態(tài)控制模塊12通過隔振器5集成安裝在掘進(jìn)機(jī)主體1的一側(cè)，用于信息采集、通信與控制等。

如圖2、圖3所示，截割狀態(tài)監(jiān)測模塊各傳感器與截割數(shù)據(jù)處理模塊9和截割狀態(tài)控制模塊12中的嵌入式系統(tǒng)連接，由嵌入式系統(tǒng)實(shí)時獲取各傳感器信息，經(jīng)過濾波去噪、特征提取等數(shù)據(jù)處理后，通過模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)推測煤巖硬度，根據(jù)不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫選擇最佳截割運(yùn)動參數(shù)，并由嵌入式系統(tǒng)將最佳截割運(yùn)動參數(shù)發(fā)送給plc系統(tǒng)。

為了實(shí)時測量截割頭1轉(zhuǎn)速與截割臂4擺動速度，在截割臂4內(nèi)電機(jī)-減速器輸出軸上安裝編碼器11，在升降液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)各安裝一個內(nèi)置位移傳感器10，并由嵌入式系統(tǒng)獲取傳感器信息，發(fā)送至plc系統(tǒng)。

plc系統(tǒng)根據(jù)最佳截割運(yùn)動參數(shù)與實(shí)時測量的當(dāng)前截割運(yùn)動參數(shù)，對截割頭1的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，使用變頻器對截割電機(jī)調(diào)速，使用比例閥對截割臂升降液壓缸或回轉(zhuǎn)液壓缸調(diào)速，使截割頭1達(dá)到最佳的截割運(yùn)動參數(shù)。另一方面，嵌入式系統(tǒng)與人機(jī)界面相互通信，將截割狀態(tài)、截割頭運(yùn)動位置、預(yù)測煤巖硬度等信息發(fā)送給人機(jī)界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與人工干預(yù)調(diào)整。

不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立需要在前期進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，以截割粉塵濃度、截割比能耗、截齒磨損率與工作效率之比、截割塊煤率等指標(biāo)為目標(biāo)參數(shù)，對不同硬度系列煤巖進(jìn)行回轉(zhuǎn)截割實(shí)驗(yàn)，使用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法計算每種煤巖硬度下最佳的截割運(yùn)動參數(shù)，最終建立不同煤巖硬度最佳截割運(yùn)動參數(shù)數(shù)據(jù)庫。在進(jìn)行上述不同硬度系列煤巖回轉(zhuǎn)截割實(shí)驗(yàn)時，配置所述的截割狀態(tài)監(jiān)測模塊各傳感器，所得數(shù)據(jù)可為所述的模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)的訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐。

以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。