基于智能自動(dòng)化的采煤機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀新星

（中煤科工集團(tuán)上海有限公司，上海 200030）

我國(guó)煤炭資源的儲(chǔ)備較為豐富，其開采量多年居世界第一位。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，煤礦的智能開發(fā)技術(shù)逐漸成了煤礦開采的主流研究方向，其中采煤機(jī)作為煤炭資源開采的重要機(jī)械設(shè)備，它是實(shí)現(xiàn)智能化開采的關(guān)鍵所在。在智能開采技術(shù)的挖掘過(guò)程中，狀態(tài)感知和智能化控制是核心技術(shù)，同時(shí)也是提升生產(chǎn)效益的關(guān)鍵[1]。廣大研究人員對(duì)智能化的開采做了相當(dāng)多的研究，例如劉文科曾對(duì)采煤機(jī)的智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的探討，分析并挖掘了智能化控制系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能和基本原理，并且在智能化感知和控制技術(shù)的方向上，創(chuàng)新地引入了三維GIS 導(dǎo)航手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。葛世榮在研究中重點(diǎn)探討了采煤機(jī)智能感知、智能切割以及可視化監(jiān)控等基本功能的作用，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)無(wú)人化操作以及對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控[2]。對(duì)此該文結(jié)合已有的研究?jī)?nèi)容和研究案例對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)化及智能化控制技術(shù)進(jìn)行深入挖掘，同時(shí)也對(duì)采煤機(jī)的智能化控制、智能化截割及智能化感知進(jìn)行深層次研究，為智能化綜合采煤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。

1 差分式慣性傳感組件融合模型建立

1.1 坐標(biāo)系建立及轉(zhuǎn)換過(guò)程

在設(shè)計(jì)采煤機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程中，將傳感器固定到了采煤機(jī)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置上。位置傳感器中的慣性傳感器以及陀螺儀傳感器分別對(duì)采煤機(jī)的角速度以及加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。因此導(dǎo)航系統(tǒng)也能夠根據(jù)測(cè)量的參數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)算出導(dǎo)航坐標(biāo)中的姿態(tài)數(shù)據(jù)[3]。坐標(biāo)系的位置關(guān)系以及推進(jìn)方向的位置如圖1 所示。

在圖1 的坐標(biāo)系中，慣性系的坐標(biāo)關(guān)系用i來(lái)表示。地球位置坐標(biāo)用e來(lái)表示。其核心位置位于地球的中心位置處，參照點(diǎn)也被稱作是地心坐標(biāo)系。同時(shí)導(dǎo)航坐標(biāo)用n來(lái)表示。原點(diǎn)的位置關(guān)系位于導(dǎo)航系統(tǒng)的啟示位置處。坐標(biāo)軸中的x，y，z分別代表東、北以及天的方位。Zi代表地球坐標(biāo)系順時(shí)針軸，Ze代表地球坐標(biāo)系逆時(shí)針軸，Zn代表導(dǎo)航坐標(biāo)系天方向，w代表角速度旋轉(zhuǎn)方向，O代表相對(duì)坐標(biāo)系原點(diǎn)，b代表載體坐標(biāo)系向量，xn代表導(dǎo)航坐標(biāo)系東方向。導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)中，坐標(biāo)系采用t來(lái)表示，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算能夠準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系。

采煤機(jī)位置姿態(tài)信息主要是依靠導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)獲取的。首先，在導(dǎo)航坐標(biāo)系中，Oxnynzn繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)?角度，便獲得坐標(biāo)系Ox1y1z1；其次，坐標(biāo)系Ox1y1z1繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度，獲得坐標(biāo)系Ox2y2z2；最后，坐標(biāo)系Ox2y2z2繞y2軸轉(zhuǎn)動(dòng)γ角度，獲得了載體坐標(biāo)系Oxbybzb。為了有效地對(duì)采煤機(jī)的姿態(tài)信息進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，將?角設(shè)置為航向角，將θ角設(shè)置為采煤機(jī)的額俯仰角，將γ角設(shè)置為橫滾角。

1.2 差分布局方法

采煤機(jī)在對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的位置進(jìn)行定位時(shí)，實(shí)際的參數(shù)可能會(huì)受到周邊邊界條件的影響，使行進(jìn)過(guò)程中的參數(shù)出現(xiàn)一定的偏移。根據(jù)實(shí)際工程的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生的位置偏移主要有2 種類型：1）確定性的位置變化因素。2）非確定性的位置變化因素。前者主要是傳感器的參數(shù)測(cè)量上都會(huì)產(chǎn)生的常規(guī)性的漂移，后者是實(shí)際的運(yùn)行中產(chǎn)生的偶然性的隨機(jī)偏移。因此為了有效地降低偏移對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，該文設(shè)計(jì)了一種差分式的傳感器布局方式，即在硬件的布局中采用4 個(gè)慣性傳感器共同構(gòu)成差分式的布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效融合[4]。在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)分解算法實(shí)時(shí)地對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解讀，并最終通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的實(shí)時(shí)控制。差分式慣性傳感組件的布局方法如圖2 所示。

通過(guò)圖2 的布局設(shè)置分布方法可知，采用差分式的布局傳感器主要是由4 枚慣性單元式的差分結(jié)構(gòu)組成的。因此每個(gè)相鄰的慣性單元之間的坐標(biāo)軸方向是相反的。在理論設(shè)計(jì)中，差分式的慣性單元能夠完全地消除確定性的漂移，進(jìn)而有效地減少非確定性的漂移。

圖2 差分式慣性傳感組件布局方法

1.3 數(shù)據(jù)融合方程

1.3.1 角速度融合方程

當(dāng)單一的慣性單元圍繞某一個(gè)軸進(jìn)行傳動(dòng)時(shí)，其實(shí)際的輸出角速度涵蓋了2 種參數(shù)屬性，一個(gè)是真實(shí)的角速度ωr，另外一個(gè)角速度參數(shù)是確定性漂移ωc和非確定性漂移ωu，因此實(shí)際角速度的輸出值是三者之間的矢量和，如公式（1）所示。

差分式慣性傳感組件下的角速度，如公式（2）所示。

式中：ωx1～ωx4為4 個(gè)方位的真實(shí)角速度值；ωy1～ωy4為4個(gè)方位的確定性漂移值；ωz1～ωz4為4 個(gè)方位的非確定性漂移值。

在機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)程中，角速度中的確定性漂移ωc和向量的輸出在大小和方向上具有一致性。ωx和ωy和ωz分別代表確定性漂移在東、北以及天方向的向量輸出值，因此可以在實(shí)際測(cè)量進(jìn)程中從各個(gè)方向上進(jìn)行有效抵消。但是角速度中的非確定性的漂移ωu在大小和方向上不能夠直接進(jìn)行抵消，因此需要根據(jù)公式（1）和公式（2）來(lái)確定數(shù)據(jù)融合的理論方程表達(dá)式，如公式（3）所示。

1.3.2 比力加速度融合方程

當(dāng)運(yùn)行慣性系統(tǒng)時(shí)，在某個(gè)傳感器發(fā)生平動(dòng)變化的過(guò)程中，輸出的力速度f(wàn)如公式（4）所示。

式中：fr為真實(shí)的比力加速度；fc為比力加速度確定性漂移；fu為比力加速度非確定性漂移。

差分式慣性傳感組件下的比力加速度如公式（5）所示。

式中：fx和fy和fz分別為力速度在東、北以及天的向量輸出值；fx1～fx4為東方向的分解值；fy1～fy4為北方向的分解值；fz1～fz4為天方向的分解值。

基于公式（4）和公式（5）獲得比力加速度的數(shù)據(jù)融合方程，如公式（6）所示。

式中：fxr和fyr和fzx分別為真實(shí)的比力加速度在東、北以及天方向的向量輸出值；fxu1～fxu4為東方向4 個(gè)方位點(diǎn)的加速度值；fyu1～fyu4為北方向4 個(gè)方位點(diǎn)的加速度值；fzu1～fzu4為天方向4 個(gè)方位點(diǎn)的加速度值。

同樣，分析公式（6）得出融合后的比力加速度可以消除確定性漂移，還可以降低非確定性漂移。

2 采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 截割狀態(tài)控制機(jī)

在實(shí)際的采煤過(guò)程中，切割進(jìn)程的狀態(tài)是決定采煤質(zhì)量的關(guān)鍵。采煤機(jī)的工作原理是將大塊的煤逐漸分解成小塊煤。由于工作進(jìn)程中齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在實(shí)際挖掘的進(jìn)程中需要通過(guò)保護(hù)裝置或者連鎖裝置來(lái)保持運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。此時(shí)對(duì)于截割狀態(tài)的判定尤為重要，這是設(shè)備啟停的關(guān)鍵。

2.2 姿態(tài)狀態(tài)控制機(jī)

在機(jī)組正常的運(yùn)行進(jìn)程中，采煤機(jī)還要結(jié)合煤層的空間位置狀態(tài)來(lái)對(duì)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證機(jī)器與煤礦資源之間形成穩(wěn)定的資源傳輸角度，該過(guò)程的挖掘效率與行車的姿態(tài)有密切的聯(lián)系[5]。這需要控制系統(tǒng)可以良好地對(duì)行車的牽引速度以及液壓架的移動(dòng)參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，才能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.3 牽引狀態(tài)控制機(jī)

通過(guò)總線控制技術(shù)能夠有效地對(duì)采煤機(jī)的變頻牽引進(jìn)行變頻控制。傳統(tǒng)牽引狀態(tài)的控制需要借助總控控制單元來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)變頻的控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，變頻器的運(yùn)行能夠保證牽引機(jī)一直處于高性能的運(yùn)行狀態(tài)。

3 采煤機(jī)智能控制流程

采煤機(jī)的智能化控制進(jìn)程中主要是根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際姿態(tài)、機(jī)身傾斜角度和滾筒的空間坐標(biāo)三者共同決定的，在實(shí)際的運(yùn)行進(jìn)程中需要結(jié)合機(jī)械部件以及電氣部件的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。由于滾筒的空間坐標(biāo)值主要是由煤層的分布邊界點(diǎn)結(jié)合而成，因此采用傳統(tǒng)頻率分布采樣的信息形式可能會(huì)漏掉部分煤層的分布信息，對(duì)此主流的設(shè)計(jì)方案是通過(guò)將采集點(diǎn)匯編成為常規(guī)的特征值點(diǎn)、關(guān)鍵值點(diǎn)以及異常點(diǎn)來(lái)進(jìn)行區(qū)分，參照采煤機(jī)在運(yùn)行方向上的距離分步進(jìn)行綜合分布采樣。最終數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到人員操作的位置，通過(guò)人工操作對(duì)搖臂的上升、下降等指令進(jìn)行操作。采用常規(guī)特征值點(diǎn)、關(guān)鍵特征點(diǎn)以及異常特征點(diǎn)相結(jié)合的模式能夠有效地對(duì)其進(jìn)行描述，其控制流程機(jī)理如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)的智能控制流程

同時(shí)由于采煤機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，因此單純地依靠傳統(tǒng)的切割電流來(lái)判斷采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不能夠滿足穩(wěn)定的控制需求，同時(shí)也不能保障作業(yè)人員的安全。因此采用常規(guī)特征點(diǎn)、關(guān)鍵特征點(diǎn)和異常特征點(diǎn)三者相結(jié)合的方式能夠有效、準(zhǔn)確地描述煤層的分布情況，這樣的計(jì)算方法既能夠有效地降低計(jì)算量，同時(shí)還能夠節(jié)省控制設(shè)備控制器的儲(chǔ)存空間，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)地由人工介入進(jìn)行干預(yù)，二者之間相互協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 截割路徑優(yōu)化

在采煤機(jī)的工作進(jìn)程中同樣也需要自動(dòng)化的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的深度加工，其核心問(wèn)題是滾筒的高度應(yīng)如何適用煤層的變化。該過(guò)程也需要結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)。這時(shí)需要借助自適應(yīng)式的記憶切割技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。同時(shí)其工作路徑還要結(jié)合人工技術(shù)不斷地進(jìn)行調(diào)整和修正，最終達(dá)到自適應(yīng)的調(diào)整過(guò)程，保證煤層地質(zhì)的穩(wěn)定性。

3.2 自適應(yīng)調(diào)高控制技術(shù)

采用傳統(tǒng)的記憶位置加工往往會(huì)出現(xiàn)設(shè)備受到損壞的問(wèn)題。為了避免因傳統(tǒng)位置而造成二次傷害，需要結(jié)合人工免疫模型對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。同時(shí)還需要結(jié)合相關(guān)的控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的生產(chǎn)目標(biāo)，達(dá)到設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行的目的。

3.3 自適應(yīng)牽引控制技術(shù)

采煤機(jī)在行進(jìn)進(jìn)程中還需要有效地解決好截割的操作。采煤作業(yè)是一項(xiàng)不斷調(diào)整方位角度以及挖掘力度的作業(yè)，還需要結(jié)合牽引性能不斷地調(diào)整自身的作業(yè)角度，進(jìn)而有效地確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)自適應(yīng)牽引技術(shù)也要求牽引空間具備一定的空間條件，需要充分地滿足自適應(yīng)截割的條件和要求。

3.4 自動(dòng)糾偏技術(shù)

采煤進(jìn)程也需要通過(guò)大數(shù)據(jù)以及GIS 等相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置定位，同時(shí)對(duì)行進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)和行駛路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。其過(guò)程主要包括建立相對(duì)環(huán)境的地理坐標(biāo)系，并且結(jié)合所在位置的地理層建立軌跡模型（涵蓋斷層、煤層以及各類復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造層），其次根據(jù)樣條曲線獲得相應(yīng)的界面曲線，并結(jié)合頂板曲線與采煤機(jī)的相對(duì)位置實(shí)時(shí)地更新數(shù)據(jù)，保證在出現(xiàn)位置偏差時(shí)能夠有效地對(duì)其進(jìn)行糾正。最后根據(jù)采煤的工藝和工法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化以及對(duì)參數(shù)的實(shí)時(shí)修正，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)糾偏的效果。

3.5 設(shè)備間協(xié)同自動(dòng)化控制技術(shù)

工作進(jìn)程中需要由采煤機(jī)、液壓機(jī)與輸送機(jī)之間的密切配合來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的運(yùn)行。通過(guò)編碼器的位置能夠有效地檢測(cè)到紅外發(fā)射裝置的定位需求，進(jìn)而能夠在系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)程中實(shí)時(shí)展示出采煤機(jī)的行進(jìn)位置和速度。通過(guò)支架的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行控制，參照欠載、滿載、異常過(guò)載以及壓死等不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展開。由于傳統(tǒng)的反饋機(jī)制包括大量的大滯后式的非連續(xù)閉環(huán)系統(tǒng)，因此采用傳統(tǒng)的PID 控制難以保證實(shí)際的效果。一般采用自適應(yīng)式的預(yù)測(cè)控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊化的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)機(jī)理如圖4 所示。

圖4 自適應(yīng)式的預(yù)測(cè)控制調(diào)節(jié)模式

調(diào)節(jié)進(jìn)程中需要結(jié)合2 個(gè)端頭的內(nèi)容共同開展以及手動(dòng)控制與自動(dòng)控制相協(xié)調(diào)的模式對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證進(jìn)刀水平與實(shí)際煤層的需求相一致。

3.6 故障診斷與早期預(yù)警技術(shù)

為了有效地保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，一旦產(chǎn)品發(fā)生故停機(jī)后，需要盡快降低機(jī)器設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。這時(shí)系統(tǒng)的故障診斷和早期的預(yù)警技術(shù)就發(fā)揮了重要的作用，通過(guò)采煤機(jī)內(nèi)控制系統(tǒng)自身的控制模塊、通信連接模塊以及數(shù)據(jù)傳感器模塊共同構(gòu)成了基本的預(yù)警系統(tǒng)。大功率的采煤機(jī)截割與牽引傳動(dòng)狀態(tài)直接決定整機(jī)的可用性和可靠性。因此可以采用溫升和振動(dòng)分析的方法對(duì)可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)行早期預(yù)警保護(hù)，進(jìn)而減少停機(jī)計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

在互聯(lián)網(wǎng)+以及智能硬件的技術(shù)背景下，智能化的應(yīng)用已經(jīng)得到了極為廣泛的發(fā)展。尤其是在對(duì)勞動(dòng)密集型工程中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能夠極大地提升工程建設(shè)的效率。智能化的終端設(shè)備不僅能夠提升設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠有效地實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)診斷，減少傷害事件的發(fā)生。對(duì)此該文結(jié)合軟硬件技術(shù)的發(fā)展水平和發(fā)展內(nèi)涵，重點(diǎn)針對(duì)滾動(dòng)式采煤機(jī)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了基于實(shí)時(shí)傳感技術(shù)的差分式慣性傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合模型。同時(shí)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸模型建立了自動(dòng)化的PID 智能控制采集系統(tǒng)，尤其是重點(diǎn)針對(duì)智能化技術(shù)的姿態(tài)控制、牽引速度控制以及遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)等方面內(nèi)容進(jìn)行探討，為橫向之間的技術(shù)開發(fā)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供綜合的橫向參考。