掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析

陳 晨

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

引言

掘進(jìn)機(jī)在煤炭開(kāi)采作業(yè)中已被廣泛使用，隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，煤炭礦井生產(chǎn)不斷向著省時(shí)、省力、高效、安全以及舒適性等方向發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中雖能滿(mǎn)足煤炭開(kāi)采作業(yè)的基本要求，但是存在諸多問(wèn)題需要改進(jìn)，例如：設(shè)備普遍使用人工操作，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，另外煤礦井下工作環(huán)境惡劣，造成生產(chǎn)效率不高，并且相關(guān)的工程質(zhì)量及安全因素受人為影響比較大，而且煤炭開(kāi)采行業(yè)事故傷亡率也較高，所以，各大企業(yè)和院校的科研部門(mén)都在探索如何將機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在煤礦機(jī)電設(shè)備領(lǐng)域。煤礦掘進(jìn)機(jī)器人不僅可以完成長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度作業(yè)，增加作業(yè)安全性，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度；而且能夠在各種有害、危險(xiǎn)環(huán)境里實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)，因此，完善與提高掘進(jìn)機(jī)控制的自動(dòng)化技術(shù)對(duì)煤礦井下開(kāi)采具有重要意義[1]。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其操作流程

自動(dòng)掘進(jìn)首先利用液壓式馬達(dá)帶動(dòng)刀盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)開(kāi)啟油缸向前推動(dòng)，刀盤(pán)在油缸帶動(dòng)下緩緩前伸的同時(shí)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土填滿(mǎn)泥土倉(cāng)，系統(tǒng)將開(kāi)啟螺旋式輸送機(jī)將渣土傳送至輸送機(jī)皮帶上，再輸送到渣土車(chē)箱內(nèi)，然后經(jīng)由豎井送達(dá)地面[2]。自動(dòng)掘進(jìn)機(jī)器人可以對(duì)預(yù)定的慣性三維坐標(biāo)軌跡進(jìn)行跟蹤，是其另外一項(xiàng)普通掘進(jìn)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的重要功能。

1.1 自動(dòng)掘進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

能夠使掘進(jìn)機(jī)在巷道里靈活行動(dòng)，采用雙履帶式行走結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)字信號(hào)來(lái)控制履帶電機(jī)，這樣可以使掘進(jìn)機(jī)靈活地運(yùn)動(dòng)于一個(gè)二維平面上。

為了能夠完成切割施工任務(wù)，掘進(jìn)機(jī)配有切割頭的機(jī)械臂。機(jī)械臂的動(dòng)作可以分解成為在互相垂直的兩個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)。其一是沿著平臺(tái)平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其二是垂直與平臺(tái)平面旋轉(zhuǎn)，所以，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂裝有多個(gè)位移傳感器和角度傳感器，用于探測(cè)工作環(huán)境和工作狀態(tài)。掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作流程

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，自動(dòng)控制程序先要進(jìn)行參數(shù)的初始化工作，當(dāng)初始化完成后，掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)，此時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)發(fā)出工作指令，掘進(jìn)機(jī)在程序控制下進(jìn)入工作狀態(tài)，依據(jù)導(dǎo)航進(jìn)行定位，并獲取三維作業(yè)空間施工位置及相關(guān)信息，將所測(cè)數(shù)據(jù)加以分析，同設(shè)定的運(yùn)行軌跡進(jìn)行比較，完成控制跟蹤。在截割任務(wù)完成時(shí)，掘進(jìn)機(jī)由慣性測(cè)量系統(tǒng)跟機(jī)械臂傳感器相組合使用，分別取得掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)信息及機(jī)械臂方位信息，對(duì)數(shù)據(jù)加以分析，再由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)任務(wù)，進(jìn)行施工作業(yè)計(jì)劃，使用神經(jīng)PID 控制操作系統(tǒng)速寫(xiě)PID 數(shù)據(jù)[3]。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

2.1 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要包括4 個(gè)部分，分別是上位機(jī)、下位機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序及其慣測(cè)系統(tǒng)。將上位機(jī)放置在遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)的操作間內(nèi)，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交換方面的相關(guān)工作，以及完成掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)的工作狀況監(jiān)控和初始化，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)掘進(jìn)控制流程

2.2.1 系統(tǒng)初始化流程

掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中有S1、S2、S3、S4、S5 五個(gè)狀態(tài)，分別為開(kāi)始、待機(jī)/暫停、行駛、截割和停止[4]，詳見(jiàn)圖3。

圖3 工作流程狀態(tài)圖

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始運(yùn)行進(jìn)入S1 工作狀態(tài)，首先自檢，確定宰割頭和掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行軌跡參數(shù)，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別，同時(shí)進(jìn)行軌跡預(yù)覽。工作狀態(tài)從S1 轉(zhuǎn)入S2。在系統(tǒng)進(jìn)入S2 狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)遵照指定運(yùn)動(dòng)的距離及軌跡，對(duì)當(dāng)前能否前進(jìn)作出判斷。如果能，人工進(jìn)行啟動(dòng)指令信號(hào)輸入，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入S3 工作狀態(tài)；當(dāng)S3 處于工作時(shí)，控制程序會(huì)將掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工作軌跡與預(yù)存在CPU 內(nèi)的工作軌跡進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算出它們之間的實(shí)際誤差，并將這一誤差參數(shù)經(jīng)CAN 輸送給PLC 控制驅(qū)動(dòng)器，由PLC 完成軌跡運(yùn)行調(diào)整。當(dāng)自動(dòng)控制進(jìn)入S4 截割狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)先由PLC 發(fā)出安放支架指令，PLC 負(fù)責(zé)傳送支架安放完成的信息。按照控制計(jì)算方法，控制截割頭完成任務(wù)。在完成前橫切面任務(wù)后，傳輸?shù)却Ъ芷鹕噶钪罰LC控制器。起升支架完成指令之后，系統(tǒng)進(jìn)入S2 工作狀態(tài)[5]。

2.2.2 自動(dòng)掘進(jìn)流程

掘進(jìn)機(jī)通電后，各個(gè)部件開(kāi)始進(jìn)行初始化運(yùn)行，完成自檢設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)經(jīng)過(guò)自檢后進(jìn)入等待操作人員運(yùn)行指令程序，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)接收到由工作人員發(fā)出的開(kāi)始工作的命令后，掘進(jìn)機(jī)控制程序同時(shí)接受地面上位機(jī)發(fā)出的掘進(jìn)機(jī)工作軌跡的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)，控制程序?qū)蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行定位檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果和上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)指令一致時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出支架進(jìn)行安裝的命令，隨即掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入截割過(guò)程。截割的過(guò)程將由PID 對(duì)掘進(jìn)頭進(jìn)行精確控制。當(dāng)數(shù)據(jù)指令不一致時(shí)，掘進(jìn)機(jī)將進(jìn)入等待程序，由人工修正，進(jìn)而達(dá)到設(shè)置位置。當(dāng)一個(gè)工作面切割完成后，掘進(jìn)機(jī)將支架收起，等收起支架后系統(tǒng)再進(jìn)行下一個(gè)軌跡數(shù)據(jù)裝載，之后即開(kāi)始新一輪作業(yè)。

3 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)格通信

CAN 總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)是連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的信息通路，使用一張具有CAN 端口的PCI-5110CAN 智能接口卡，就可以使他們之間實(shí)現(xiàn)相互通信，通信過(guò)程可分為接收通信和發(fā)送通信，其中發(fā)送通信相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但接受通信相對(duì)就比較復(fù)雜了，它必須在整個(gè)工作過(guò)程中始終對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)有無(wú)接收的數(shù)據(jù)，當(dāng)有接收數(shù)據(jù)時(shí)，PCI-5110CAN 將告知有數(shù)據(jù)需要接收，這時(shí)程序?qū)⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)接收，此時(shí)如果在一定時(shí)間里沒(méi)收到發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)束符號(hào)，這時(shí)程序?qū)l(fā)出超時(shí)幀。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，程序?qū)γ恳粠M(jìn)行相應(yīng)分析，判斷其正確與否，如正確將發(fā)出相應(yīng)指令，最后將內(nèi)存清除。

4 PID 控制

PID 網(wǎng)絡(luò)控制器的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、可靠性能強(qiáng)、穩(wěn)定性能高、便于工程實(shí)施等。要實(shí)現(xiàn)它的功能和作用，要根據(jù)其所控制目標(biāo)的模型將正確的PID 控制參數(shù)設(shè)定即可。掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)操作系統(tǒng)屬于非線(xiàn)性復(fù)雜的系統(tǒng)，不太容易建成精準(zhǔn)性數(shù)學(xué)模型，并且隨著工作狀態(tài)的不斷變化，模型所設(shè)定的參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。例如掘進(jìn)機(jī)在切割煤層工作中，因?yàn)橐簤焊讓?duì)掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生的作用力和掘進(jìn)機(jī)工作振動(dòng)，會(huì)造成車(chē)身變形，由于機(jī)械臂和車(chē)身為一體，假如截割頭控制器仍按照原定軌跡進(jìn)行截割，將會(huì)發(fā)生超挖、欠挖的現(xiàn)象。IPD 控制器可以在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中，根據(jù)收到各種參數(shù)進(jìn)行PID 的調(diào)整，滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)需要。從理論上講，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠近似所有非線(xiàn)性函數(shù)。具備自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)以及并行處理、容錯(cuò)性強(qiáng)等性能[6-7]。由此本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟PID相結(jié)合，并在掘進(jìn)機(jī)控制自動(dòng)操作系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定，在掘進(jìn)機(jī)的車(chē)身上安裝傳感器與測(cè)量系統(tǒng)，并利用慣性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的位置加以定位，利用掘進(jìn)機(jī)各傳感器得知其工作狀態(tài)，將采集接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算后，再通過(guò)設(shè)定算法控制掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)是采用CAN 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信。本文將網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)PID 系統(tǒng)控制算法應(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)軌跡運(yùn)行控制上，使得掘進(jìn)機(jī)能夠按照系統(tǒng)設(shè)定好的中心線(xiàn)巷道軌跡完成自主作業(yè)。