【摘 要】
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大型矿用电铲是露天矿山中固体资源开采的主要设备,对整个矿山的开采效率起着至关重要的作用。目前,矿用电铲主要由经验丰富的驾驶员操作完成挖掘工作,由于矿用电铲体积庞大且结构复杂,作业环境恶劣,以及驾驶员操作水平和人的主观性等因素的限制,导致人工操作难以根据物料形态进行最优的挖掘轨迹作业,易于造成挖掘不稳定,作业效率低等问题。因此,为解决人工操作产生的各种问题,本文针对矿用电铲自动化挖掘,设计并搭建了一
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大型矿用电铲是露天矿山中固体资源开采的主要设备,对整个矿山的开采效率起着至关重要的作用。目前,矿用电铲主要由经验丰富的驾驶员操作完成挖掘工作,由于矿用电铲体积庞大且结构复杂,作业环境恶劣,以及驾驶员操作水平和人的主观性等因素的限制,导致人工操作难以根据物料形态进行最优的挖掘轨迹作业,易于造成挖掘不稳定,作业效率低等问题。因此,为解决人工操作产生的各种问题,本文针对矿用电铲自动化挖掘,设计并搭建了一套电铲控制系统框架,完成挖掘作业流程测试。具体研究内容如下:（1）搭建了1:7比例矿用电铲实验平台,完成下位机电气控制系统的设计与搭建。设计了下位机控制系统整体框架,完成了对PLC、变频器、编码器及驱动电机等硬件的选型,编写了PLC控制程序,建立了PLC与变频器之间的PROFINET通信,完成了电铲各执行机构的控制,包括对开斗电机的转矩控制、对回转电机的速度和转矩控制、对行走电机的位置控制、对提升及推压电机的速度控制。（2）编写了上位机软件人机交互界面,完成上下位机通信,基于SQL数据库搭建电铲数据存储系统。基于C++和QT搭建了智能挖掘机整体程序框架,编写了人机交互界面,采用模块化、多线程的编程方法实现主程序以及各功能模块的编写。基于snap7通信库实现了上位机PC和下位机PLC的通讯,完成上下位机之间控制指令和数据信息的交换,搭建了PC端和PLC端的Socket通信,通过定时发送信号来监测上下位机的通信质量。使用SQL数据库建立电铲运行数据存储系统,便于电铲工作状态及历史信息的查询。（3）针对挖掘轨迹跟随问题,推导出电铲挖掘执行机构运动学模型,提出模糊PI控制策略,完成电铲驱动电机仿真分析。通过对电铲挖掘执行机构的简化与分析,建立了电铲齿尖的运动学模型,针对挖掘过程中电铲受力的不确定性,提出一种高适应性的模糊PI控制策略,并使用simulink仿真软件构建了三相异步电机矢量控制变频调速模型,结果表明模糊PI控制策略能够适应不确定性阻力环境,转速跟随性能较好。最后在矿用电铲缩比例样机实验平台进行自动化挖掘作业,电铲控制系统稳定有效,在速度跟随性能以及满斗率方面满足控制系统设计要求。此电铲自动控制系统经过现场运行调试,工作性能稳定,可以满足电铲自动化挖掘作业的要求。
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