掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

李佳琪

（晉煤集團(tuán)金鼎公司， 山西 晉城 048000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)的設(shè)備，隨著煤炭掘進(jìn)作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井下煤炭的綜采效率得到了大幅的提高，給井下巷道掘進(jìn)作業(yè)帶來(lái)了

極大的壓力。由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，而且掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化程度相對(duì)較低，通常采用人工控制進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)的方案，雖然具有較高的控制靈活性但也存在著人工工作量大、效率低、截割質(zhì)量差的缺陷，而且極易出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)調(diào)整失誤而造成的截割機(jī)構(gòu)損壞，給煤礦井下的掘進(jìn)作業(yè)帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患[1]。為了提升井下掘進(jìn)作業(yè)的自動(dòng)化程度，提升掘進(jìn)作業(yè)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，一種新的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)被推廣應(yīng)用。

1 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)

根據(jù)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)流程和無(wú)人化綜采作業(yè)需求，所提出的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該控制系統(tǒng)主要包括了人機(jī)交互模塊、中央計(jì)算處理模塊和閉環(huán)跟蹤控制模塊，人機(jī)交互模塊主要用于輸入截割控制路徑、截割控制要求，對(duì)實(shí)際截割路徑和理論截割路徑的偏差量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行人工控制截割作業(yè)。中央計(jì)算處理模塊主要是PLC 控制模塊，該控制模塊主要用于對(duì)截割控制軌跡進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，閉環(huán)跟蹤控制模塊主要用于對(duì)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)給軌跡、截割軌跡、截割安全性等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)實(shí)際截割路徑和理論截割路徑之間的差異性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)整，確保掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)的精確性和完整性。

圖1 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器安裝位置及閉環(huán)姿態(tài)調(diào)整

掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化截割控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ)是系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置、姿態(tài)和截割作業(yè)狀態(tài)的判斷準(zhǔn)確性[2]，因此各傳感器的安裝位置至關(guān)重要，其直接決定了對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需要傾角傳感器和角位移傳感器。其中，傾角傳感器主要設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)搖臂在水平方向和豎直方向角度的監(jiān)測(cè)；角位移傳感器主要設(shè)置在執(zhí)行油缸的伸縮端，用于對(duì)截割結(jié)構(gòu)的截割角度進(jìn)行測(cè)量，在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身上設(shè)置雙軸傾角測(cè)量傳感器對(duì)機(jī)身截割過(guò)程中的俯仰角情況進(jìn)行測(cè)量，各傳感器在掘進(jìn)機(jī)上的安裝位置如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器安裝完成后將各傳感器利用CAN 數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)骄蜻M(jìn)機(jī)自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)的PLC控制中心，控制中心根據(jù)掘進(jìn)機(jī)設(shè)定的截割路徑，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)油缸、豎直油缸、伸縮油缸的行程和回轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)。設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的各類傳感器對(duì)實(shí)際調(diào)整的回轉(zhuǎn)角、執(zhí)行油缸伸縮量等進(jìn)行監(jiān)控，將實(shí)際調(diào)整量、截割作業(yè)過(guò)程中的實(shí)際軌跡等和理論調(diào)整量、理論控制軌跡等在PLC 控制中心進(jìn)行對(duì)比，輸出各個(gè)調(diào)整量的補(bǔ)充調(diào)整結(jié)果，控制各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，從而確保截割作業(yè)過(guò)程中的實(shí)際接軌跡和理論截割軌跡的一致性，滿足自動(dòng)化截割控制需求，該閉環(huán)姿態(tài)調(diào)整邏輯如圖3 所示[3]。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

3 魯棒及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合控制

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的控制信號(hào)會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)而且呈現(xiàn)典型的非線性變化，因此傳統(tǒng)控制模式下掘進(jìn)機(jī)對(duì)位置的調(diào)整速度、精度等均無(wú)法滿足自動(dòng)截割作業(yè)需求。結(jié)合各種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式[4]，該控制模式適應(yīng)于具有模糊邊界控制條件，其優(yōu)點(diǎn)是可以采用一個(gè)對(duì)不確定邊界條件進(jìn)行模糊定義的控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分析不確定性的影響，同時(shí)該系統(tǒng)中增加了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式，能夠利用分析時(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界干擾信號(hào)的屏蔽，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的分析誤差，滿足自動(dòng)截割控制需求，該魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果，采用魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模式下，掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制精度可達(dá)13mm，完全能夠滿足井下自動(dòng)截割的控制需求，對(duì)提升井下掘進(jìn)作業(yè)的自動(dòng)化程度、實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人掘進(jìn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

圖4 魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）該自動(dòng)化綜采截割控制系統(tǒng)主要包括了人機(jī)交互模塊、中央計(jì)算處理模塊和閉環(huán)跟蹤控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)作業(yè)路徑和軌跡的自動(dòng)調(diào)整控制，滿足精確截割控制需求；

2）掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)截割作業(yè)過(guò)程中各調(diào)整數(shù)據(jù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，確保姿態(tài)調(diào)整的快速性和精確性；

3）魯棒及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠確保掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制精度在13mm 以下，滿足井下自動(dòng)截割控制的精度要求。