掘进机智能化控制_掘进机智能化控制系统设计

掘进机智能化控制系统是现代煤矿智能化建设的重要组成部分，旨在通过先进的信息技术、自动化控制和人工智能算法，实现掘进作业的高效、安全和少人化。以下是掘进机智能化控制系统设计的详细分析：

一、系统总体架构设计

掘进机智能化控制系统通常采用分层架构设计，主要包括以下层次：

1. 感知执行层：由各类传感器、摄像机和定位装置组成，实时采集掘进机位姿、环境参数和设备状态等信息。关键传感器包括惯性导航系统、激光测距仪、压力传感器、电流变送器等，用于监测截割负载、液压系统状态和电机运行情况。

2. 控制层：以PLC(可编程逻辑控制器)或嵌入式控制器为核心，如富士PLC、AT91SAM9G20与C8051F040等芯片，负责电机启停逻辑控制、安全保护和通信功能。该层实现分序控制逻辑(如油泵电机优先启动)、双电压兼容设计(660V/1140V切换)和多重安全保护机制(过流、过热、断相保护等)。

3. 网络传输层：采用工业以太网、RS485通信或5G技术，实现设备间数据实时传输，支持远程监控和控制指令下发。部分系统通过本安型操作箱进行人机交互，配备急停按钮和状态指示灯。

4. 平台层：智能掘进综合管控平台融合多系统数据，具有数字孪生、自主决策和协同控制功能，实现"一键启停"和"多机联动"。平台通过三维地质建模驱动断面成型路径规划，结合负载自适应控制技术优化截割过程。

二、核心功能模块

1. 智能导航与定位截割系统

2. 自适应截割控制系统

3. 远程监控与自动支护系统

4. 状态监测与故障诊断

三、关键技术实现

1. 多机协同控制技术：通过设备群精确定位系统，实现掘进机、锚杆钻车、运输设备等的智能协同，优化工序衔接。例如，青岛天迅的掘进机电控系统实现了油泵电机优先启动的分序控制逻辑，确保液压系统正常供油后再启动其他电机。

2. 数字孪生与可视化技术：构建掘进工作面三维实景模型，融合环境监测、视频监控和设备状态数据，支持远程可视化操控。智能管控平台可再现真实场景，实现"人-机-环"信息透明化。

3. 智能决策算法：应用机器学习分析历史数据，优化截割参数和支护方案；采用多级阈值控制和异常处理机制提高系统鲁棒性。如某智能控制系统通过改进控制算法，使掘进机行走轨迹误差控制在允许范围内。

4. 边缘计算架构：在设备端部署边缘计算节点，对时效性要求高的数据(如位姿信息)进行本地处理，降低网络依赖。平台层则负责大数据分析和长期趋势预测。

四、系统设计要点

1. 安全性设计：采用本安型电路、多重电气保护(阻容吸收器、真空接触器)和急停机制，确保爆炸性环境中可靠运行。系统应通过瓦斯浓度监测联动断电，实现本质安全。

2. 模块化设计：将控制系统划分为数据采集、通信、控制等模块，便于维护升级。如C8051F040负责数据采集，AT91SAM9G20主控芯片处理核心算法。

3. 标准化接口：遵循煤矿通信协议标准，确保与综合管控平台、其他智能子系统(如通风、运输)的数据互通。支持OPC UA、Modbus等工业通信协议。

4. 人机交互优化：设计符合人机工程学的操作界面，简化操作流程。如石煤机的智慧大脑系统将复杂操作简化为集中控制舱内的直观指令。

五、应用效果与展望

智能化控制系统已在实际应用中展现出显著优势：

未来发展方向包括：

- 加强系统开放性和兼容性，融入智慧矿山"一张图"管理平台