论文部分内容阅读
【摘 要】论文分析了工作载荷对悬臂式掘进机截割性能、效率造成的影响，指出截割控制要保证截割头的转速与工作载荷相适应、匹配，从而实现平稳、高效截割。论文从变频电机、增加转矩包络线控制功能以及主控制器三个方面分析了自适应截割控制策略，对具有自适应截割功能的掘进机控制系统的硬件及软件进行设计，经实践证实该系统实时性好、可靠性高，可满足自适应截割需求。
【Abstract】This paper analyzes the influence of working load on the cutting performance and efficiency of boom-type roadheader， and points out that cutting control should ensure that the speed of cutting head is adapted and matched with the working load， so as to realize stable and efficient cutting. The paper analyzes the adaptive cutting control strategies from the three aspects of variable frequency motor， increasing torque envelope control function and main controller， and designs the hardware and software of the control system of roadheader with adaptive cutting function. The practice shows that the system has good real-time performance and high reliability， which can meet the requirements of adaptive cutting.
【关键词】悬臂式掘进机;自适应截割;变频电机;控制系统;换档
【Keywords】boom-type roadheader; adaptive cutting; variable frequency motor; control system; gear shifting
【中图分类号】TD42 【文献标志码】A 【文章編号】1673-1069（2020）07-0178-02
1 引言
基于工频控制的掘进机截割控制的适应性差，容易出现截割电机过载、设备冲击等问题，造成掘进机使用寿命缩短。本文提出具有自适应截割功能的掘进机控制系统，可依据截割电机的实时荷载对截割头转速进行调整，实现自适应截割，满足复杂截割工况的需求。
2 自适应截割控制的目的
自适应截割控制是为了应对掘进机截割过程中工作载荷变化现象而提出的。悬臂式掘进机截割过程中，掘进机结构参数、截割操作参数、截割对象的特性等都会对工作载荷造成影响，现场工作经验以及试验研究均证实，岩石的机械物理特性在很大程度上影响了悬臂式掘进机的工作载荷，岩石的单向抗压强度对工作载荷造成的影响最大，当对具有较大单向抗压强度的岩石进行截割时，此时单刀切削力增加。通常都会采用降低截割头转速、增加电动机功率的方法增加单刀力，但是一些问题也随之而来：当对一些单向抗压强度不高的岩石进行截割时，大功率电机不处于满载运行状态，截割转速不高，因此，工作效率相对较低;对硬度相同的岩石进行截割时，转速过低时会造成机器振动幅度及截割扭矩增加，因此，截割头的转速要与截割对象的单向抗压强度相协调[1]。
悬臂式掘进机的升降油缸、回转引起截割臂摆动速度的变化是最为主要的截割操作参数，其对截割效果以及工作载荷造成直接影响。通常而言，当岩石的单向抗压强度不高时，此时要采用较大的摆动速度来增加截割冲击，从而实现高效截割;当岩石单向抗压强度比较大时，此时的截割摆动速度要减缓，将截割冲击降低，实现稳定截割。
掘进机的结构特点决定了截割臂摆动会造成截割头受到的载荷动态变化，但是设计之时结构参数已经固定，工作时无法进行调节，只能通过调节截割臂的摆动速度或截割头的转速来调节冲击载荷。为了确保截割效果最优，必须保证截割臂的摆动速度、截割头的转速能与工作荷载适应，且截割臂的摆动速度、截割头的转速要相互匹配。
3 自适应截割控制的策略
自适应截割控制基于整个截割系统的控制来应对截割负载变化。
第一，采用掘进机专用变频电机，功率200kW，电压1140V，扭矩可依据转速变化从2000N·m调整为4200N·m。
第二，截割变频器基于以往的转速闭环控制增加转矩包络线控制功能，当检测发现计数器值等于定值时进行转速PID运算，依据电机特性曲线来对输出转矩值限幅，输出值、转速变换控制环节增加了转矩限幅的环节，进而控制输出转矩。依据变频器的多段速功能来设置高速档1500rpm、中速档1000rpm以及低速档500rpm，分别适用于煤和半煤岩、半煤岩及煤岩。高速档转速高、转矩小，可确保掘进机具有较高的截割效率;中低速档降速增扭，从而增强掘进机的破岩能力。 第三，主控制器依据截割变频电机的转速、转矩、电流自动切换工作档位，从而兼顾破岩能力及截割效率。变频器的速度档切换不同于传统的双速电机档位切换，这种切换相对平滑、柔和，可在短时间内多次切换，不会引起设备冲击。截割过程中，煤岩硬度突然增加时，此时由于转矩包络线功能的限制，变频器不会由于负载迅速增加而引起过载跳闸，此时系统自行切换至低档以应对负载突增，提高破岩能力，降低截割效率;当硬度突然增加时，自动切换至高档位从而降低破岩能力，提高工作效率[2]。
4 自适应截割控制系统的设计
4.1 自适应截割控制系统的硬件设计
自适应截割控制系统的结构是上、下位机结构形式，上位机为显示屏，负责监控，下位机基于主控制器，负责控制;采用CAN总线通讯方式将控制按钮、变频器、主控制器以及显示屏连接起来;现场设备与变频器、主控制器直接连接，形成控制系统。经CAN总线实现截割变频器与主控制器之间的通讯，实时读写变频器为250kbps的通信速率;显示屏显示各种重要参数;截割变频器对截割变频电机进行控制，对后者的速度信号进行实时采取。
4.2 自适应截割控制系统的控制方法
截割变频器为转速模式工作，依据给定的速度来运行，速度档共计3个，分别对应相应给定速度。正常情况下，转速闭环控制模式下的变频器不具有转矩包络线控制功能。为实现自由换档功能，需要将这一功能加入其中，指定变频器在速度档位时，完全依据电机转矩转速曲线确定输出转矩，建立转速与输出转矩之间的一一映射关系。即使负载变大，电机输出转矩不足，转矩输出不变，转速降低，尽管仍然是转速闭环控制模式，但是由于转矩限制，电机转矩只是随着速度的下降依据转矩包络线增加，电流不会出现极骤增加的情况。
增加转矩包络线功能能让截割电机的输出特性变得相对“柔软”，不会由于变频器的负载快速增加而引起跳闸，正是基于这一功能，在CAN总线实时通讯的支持下，利用主控制器实时监测变频器运行状态，给予一定条件来自由切换变频器的速度档位。
默认截割变频器为高速档位，变频器运行时，通过CAN总线实现主控制器与变频器的通讯，对截割电机的转速、转矩、电流进行实时监测。当转速、转矩以及电流同时达到设置值的下限值时，此时主控制器自动切换为低速档，從而增加截割电机的输出转矩，让掘进机的破岩能力得以增强;当满足转矩、电流均小于设定值，且电机转速等同于当前档位速度值这三个条件时，此时主控制器自行切换为高速档位，从而提高掘进机的截割效率[3]。
4.3 自适应截割控制系统的软件设计
CAN通讯初始化模块负责初始化CAN的通讯波特率、通讯缓冲区等参数，同时，负责初始化CAN数据帧。CAN通讯数据发送模块负责将控制指令发送给截割变频器，数据指令包括换档指令、启停指令以及初始档位等，换档指令为自适应截割换档的实时控制指令。CAN通讯数据接收模块主要实时接收来自截割变频器的转速、转矩、电流、电压以及故障信号等数据，转速、转矩以及电流这三个数据反映了截割电机的运行状态。自适应截割换档模块包括高低档位互相切换这两个子模块，其负责比较来源于截割变频器读取的转速、转矩以及电流的实时数据，将这些实时数据与预设换档阈值进行对比，判断是否满足换档条件，当满足换档条件时发出换档指令以实现自动换档。
5 结语
经掘进机作业试验证实，仅采用常规速度进行闭环控制使截割电机存在输出特性“较硬”的特点，无法迅速响应，当荷载突然变化时容易出现过压故障或过流故障;将该自适应截割掘进机控制系统应用于作业试验中后，截割电机的输出特性变得“柔和”，辅以灵活的换档逻辑以及合适的换档条件，完全满足自适应截割的要求。当前设计的三个速度档位分别为高速档1500rpm、中速档1000rpm以及低速档500rpm，实际应用时，与煤炭的地质条件相结合对档位速度进行灵活调整，可取得更理想的实际截割效果。
【参考文献】
【1】张建广.悬臂式掘进机自适应截割控制系统研究[J].煤炭科学技术，2016，44（2）：148-152.
【2】贺文海，焦可辉.基于模糊PID的掘进机恒功率控制系统设计[J].煤炭工程，2019，51（9）：178-181.
【3】刘送永，张德义.巷道掘进机智能化技术研究现状及展望[J].工矿自动化，2019，45（10）：23-28.
【Abstract】This paper analyzes the influence of working load on the cutting performance and efficiency of boom-type roadheader， and points out that cutting control should ensure that the speed of cutting head is adapted and matched with the working load， so as to realize stable and efficient cutting. The paper analyzes the adaptive cutting control strategies from the three aspects of variable frequency motor， increasing torque envelope control function and main controller， and designs the hardware and software of the control system of roadheader with adaptive cutting function. The practice shows that the system has good real-time performance and high reliability， which can meet the requirements of adaptive cutting.
【关键词】悬臂式掘进机;自适应截割;变频电机;控制系统;换档
【Keywords】boom-type roadheader; adaptive cutting; variable frequency motor; control system; gear shifting
【中图分类号】TD42 【文献标志码】A 【文章編号】1673-1069（2020）07-0178-02
1 引言
基于工频控制的掘进机截割控制的适应性差，容易出现截割电机过载、设备冲击等问题，造成掘进机使用寿命缩短。本文提出具有自适应截割功能的掘进机控制系统，可依据截割电机的实时荷载对截割头转速进行调整，实现自适应截割，满足复杂截割工况的需求。
2 自适应截割控制的目的
自适应截割控制是为了应对掘进机截割过程中工作载荷变化现象而提出的。悬臂式掘进机截割过程中，掘进机结构参数、截割操作参数、截割对象的特性等都会对工作载荷造成影响，现场工作经验以及试验研究均证实，岩石的机械物理特性在很大程度上影响了悬臂式掘进机的工作载荷，岩石的单向抗压强度对工作载荷造成的影响最大，当对具有较大单向抗压强度的岩石进行截割时，此时单刀切削力增加。通常都会采用降低截割头转速、增加电动机功率的方法增加单刀力，但是一些问题也随之而来：当对一些单向抗压强度不高的岩石进行截割时，大功率电机不处于满载运行状态，截割转速不高，因此，工作效率相对较低;对硬度相同的岩石进行截割时，转速过低时会造成机器振动幅度及截割扭矩增加，因此，截割头的转速要与截割对象的单向抗压强度相协调[1]。
悬臂式掘进机的升降油缸、回转引起截割臂摆动速度的变化是最为主要的截割操作参数，其对截割效果以及工作载荷造成直接影响。通常而言，当岩石的单向抗压强度不高时，此时要采用较大的摆动速度来增加截割冲击，从而实现高效截割;当岩石单向抗压强度比较大时，此时的截割摆动速度要减缓，将截割冲击降低，实现稳定截割。
掘进机的结构特点决定了截割臂摆动会造成截割头受到的载荷动态变化，但是设计之时结构参数已经固定，工作时无法进行调节，只能通过调节截割臂的摆动速度或截割头的转速来调节冲击载荷。为了确保截割效果最优，必须保证截割臂的摆动速度、截割头的转速能与工作荷载适应，且截割臂的摆动速度、截割头的转速要相互匹配。
3 自适应截割控制的策略
自适应截割控制基于整个截割系统的控制来应对截割负载变化。
第一，采用掘进机专用变频电机，功率200kW，电压1140V，扭矩可依据转速变化从2000N·m调整为4200N·m。
第二，截割变频器基于以往的转速闭环控制增加转矩包络线控制功能，当检测发现计数器值等于定值时进行转速PID运算，依据电机特性曲线来对输出转矩值限幅，输出值、转速变换控制环节增加了转矩限幅的环节，进而控制输出转矩。依据变频器的多段速功能来设置高速档1500rpm、中速档1000rpm以及低速档500rpm，分别适用于煤和半煤岩、半煤岩及煤岩。高速档转速高、转矩小，可确保掘进机具有较高的截割效率;中低速档降速增扭，从而增强掘进机的破岩能力。 第三，主控制器依据截割变频电机的转速、转矩、电流自动切换工作档位，从而兼顾破岩能力及截割效率。变频器的速度档切换不同于传统的双速电机档位切换，这种切换相对平滑、柔和，可在短时间内多次切换，不会引起设备冲击。截割过程中，煤岩硬度突然增加时，此时由于转矩包络线功能的限制，变频器不会由于负载迅速增加而引起过载跳闸，此时系统自行切换至低档以应对负载突增，提高破岩能力，降低截割效率;当硬度突然增加时，自动切换至高档位从而降低破岩能力，提高工作效率[2]。
4 自适应截割控制系统的设计
4.1 自适应截割控制系统的硬件设计
自适应截割控制系统的结构是上、下位机结构形式，上位机为显示屏，负责监控，下位机基于主控制器，负责控制;采用CAN总线通讯方式将控制按钮、变频器、主控制器以及显示屏连接起来;现场设备与变频器、主控制器直接连接，形成控制系统。经CAN总线实现截割变频器与主控制器之间的通讯，实时读写变频器为250kbps的通信速率;显示屏显示各种重要参数;截割变频器对截割变频电机进行控制，对后者的速度信号进行实时采取。
4.2 自适应截割控制系统的控制方法
截割变频器为转速模式工作，依据给定的速度来运行，速度档共计3个，分别对应相应给定速度。正常情况下，转速闭环控制模式下的变频器不具有转矩包络线控制功能。为实现自由换档功能，需要将这一功能加入其中，指定变频器在速度档位时，完全依据电机转矩转速曲线确定输出转矩，建立转速与输出转矩之间的一一映射关系。即使负载变大，电机输出转矩不足，转矩输出不变，转速降低，尽管仍然是转速闭环控制模式，但是由于转矩限制，电机转矩只是随着速度的下降依据转矩包络线增加，电流不会出现极骤增加的情况。
增加转矩包络线功能能让截割电机的输出特性变得相对“柔软”，不会由于变频器的负载快速增加而引起跳闸，正是基于这一功能，在CAN总线实时通讯的支持下，利用主控制器实时监测变频器运行状态，给予一定条件来自由切换变频器的速度档位。
默认截割变频器为高速档位，变频器运行时，通过CAN总线实现主控制器与变频器的通讯，对截割电机的转速、转矩、电流进行实时监测。当转速、转矩以及电流同时达到设置值的下限值时，此时主控制器自动切换为低速档，從而增加截割电机的输出转矩，让掘进机的破岩能力得以增强;当满足转矩、电流均小于设定值，且电机转速等同于当前档位速度值这三个条件时，此时主控制器自行切换为高速档位，从而提高掘进机的截割效率[3]。
4.3 自适应截割控制系统的软件设计
CAN通讯初始化模块负责初始化CAN的通讯波特率、通讯缓冲区等参数，同时，负责初始化CAN数据帧。CAN通讯数据发送模块负责将控制指令发送给截割变频器，数据指令包括换档指令、启停指令以及初始档位等，换档指令为自适应截割换档的实时控制指令。CAN通讯数据接收模块主要实时接收来自截割变频器的转速、转矩、电流、电压以及故障信号等数据，转速、转矩以及电流这三个数据反映了截割电机的运行状态。自适应截割换档模块包括高低档位互相切换这两个子模块，其负责比较来源于截割变频器读取的转速、转矩以及电流的实时数据，将这些实时数据与预设换档阈值进行对比，判断是否满足换档条件，当满足换档条件时发出换档指令以实现自动换档。
5 结语
经掘进机作业试验证实，仅采用常规速度进行闭环控制使截割电机存在输出特性“较硬”的特点，无法迅速响应，当荷载突然变化时容易出现过压故障或过流故障;将该自适应截割掘进机控制系统应用于作业试验中后，截割电机的输出特性变得“柔和”，辅以灵活的换档逻辑以及合适的换档条件，完全满足自适应截割的要求。当前设计的三个速度档位分别为高速档1500rpm、中速档1000rpm以及低速档500rpm，实际应用时，与煤炭的地质条件相结合对档位速度进行灵活调整，可取得更理想的实际截割效果。
【参考文献】
【1】张建广.悬臂式掘进机自适应截割控制系统研究[J].煤炭科学技术，2016，44（2）：148-152.
【2】贺文海，焦可辉.基于模糊PID的掘进机恒功率控制系统设计[J].煤炭工程，2019，51（9）：178-181.
【3】刘送永，张德义.巷道掘进机智能化技术研究现状及展望[J].工矿自动化，2019，45（10）：23-28.