大型礦用電鏟控制框架設(shè)計

王夢麟， 付 濤， 張?zhí)熨n， 郭云飛， 岳海峰， 孫 剛， 宋學(xué)官

（1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 大連116024；2.太原重工股份有限公司 礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原030024）

0 引言

大型礦用電鏟作為重型機械， 在露天采礦業(yè)具有十分廣泛的應(yīng)用，是礦產(chǎn)資源露天開采中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。但是直到目前為止，礦用電鏟設(shè)備一直處于人工操作階段[2-3]，導(dǎo)致礦產(chǎn)挖掘能耗較高，挖掘效率低，不同駕駛員之間對礦山環(huán)境及電鏟自身結(jié)構(gòu)的感知不同， 因而操作差異較大，導(dǎo)致電鏟的壽命較低。 而通過大量的研究表明，針對礦山的不同堆料形貌，能夠規(guī)劃出一條滿足較高滿斗率、最低單位能耗、較高效率的最優(yōu)挖掘軌跡，因此如何保證規(guī)劃軌跡的執(zhí)行至關(guān)重要[4]。

一些國內(nèi)外企業(yè)和研究機構(gòu)針對礦用電鏟的自動化控制方面已經(jīng)取得了一些成果。 徐工集團研發(fā)出了一款無人駕駛室遙控挖掘機XE15R，對液壓、電力、機械等系統(tǒng)進行操控，有效提高了挖掘的效率和可靠性[5]。 韓國的Seo 等開發(fā)了一種具有電鏟熟練駕駛員經(jīng)驗并根據(jù)識別的現(xiàn)場堆料情況來挑選最優(yōu)挖掘方案規(guī)劃器的自動挖掘系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作[6]。 澳大利亞的Dunbabin 和Corke搭建了智能電鏟實驗樣機， 開發(fā)了一種電鏟自動循環(huán)挖掘系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動挖掘，滿斗率監(jiān)測以及自動裝載等功能[7]。 國內(nèi)外對電鏟自動化與智能化的研究大多處于電氣系統(tǒng)改造及針對特定簡單場景的小型樣機階段。 因此，本文設(shè)計了一種針對實際礦山環(huán)境和真實電鏟模型的自動控制框架， 并在由真實礦山物料搭建的環(huán)境中使用1∶7縮比例試驗樣機驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 礦用電鏟實驗平臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

大型礦用電鏟作為一種復(fù)雜的重型工程機械， 挖掘作業(yè)需要各個機構(gòu)的協(xié)同運作，為了能夠在真機WK-55電鏟上有更好的作業(yè)效果， 同時降低前期進行智能化作業(yè)實驗成本， 保證設(shè)備及人員的安全性， 提高實驗的效率， 設(shè)計制造了礦用電鏟WK55 1∶7 的縮比例試驗樣機，見圖1。

圖1 電鏟實驗樣機

電鏟實驗平臺下位機控制系統(tǒng)采用“PLC+基礎(chǔ)變頻傳動”的電氣控制系統(tǒng)，見圖2，以PLC 為核心，連接4 個變頻器。 其中變頻器1 控制回轉(zhuǎn)電機， 采用轉(zhuǎn)矩控制方式，負責(zé)在電鏟挖掘完成后進行電鏟回轉(zhuǎn)動作，尋找合適的卸料位置。變頻器4 控制開斗電機，也是采用轉(zhuǎn)矩控制方式，負責(zé)在鏟斗回轉(zhuǎn)到礦卡合適位置時進行開斗卸料。變頻器2 控制提升電機和右行走電機， 變頻器3 控制推壓電機和左行走電機， 左行走電機和右行走電機配合電機內(nèi)部自帶編碼器采用位置控制， 完成電鏟的長距離行走，轉(zhuǎn)向以及電鏟與料堆相對位置的微調(diào)，提升電機和推壓電機采用的是速度控制方式， 負責(zé)執(zhí)行上位機規(guī)劃的最優(yōu)挖掘軌跡， 并且提升電機和推壓電機都外接一個絕對值編碼器，測量電機的轉(zhuǎn)速并反饋到PLC 中，用于比較規(guī)劃軌跡與執(zhí)行軌跡， 便于采取措施加強挖掘軌跡的跟蹤。 此外，由于推壓機構(gòu)的特殊性，當推壓距離超過齒條的長度時，則會造成斗桿的脫離齒條墜落，因此在推壓機構(gòu)利用編碼器測量到的位置信息設(shè)置前后限位來避免事故發(fā)生。

圖2 電鏟電氣控制系統(tǒng)

電鏟試驗樣機的行走、挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料等動作由6個三相異步電動機控制， 為此設(shè)計了一個以西門子1517PLC 為核心的電氣控制柜，見圖3。 圖中1 為西門子PLC 及其功能拓展模塊， 用于編寫和執(zhí)行電機的各種控制程序，包括速度控制，轉(zhuǎn)矩控制，位置控制等，將電機控制指令以模擬量或者西門子控制報文的方式輸出，傳遞給變頻器， 并且可以采集變頻器和電機編碼器等反饋的信號。2 為變頻器控制單元， 用于接收PLC的電機控制指令， 調(diào)整電機控制參數(shù)， 實現(xiàn)電機控制方式的切換， 并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機的閉環(huán)控制，完成挖掘軌跡跟蹤。 3 為整流器模塊，把交流電用二極管電整成直流電。 4 為逆變器模塊，把直流電通過半導(dǎo)體、變壓器等元件轉(zhuǎn)變成交流電，負責(zé)給各個不同型號的電機供電。

圖3 電鏟電氣控制柜

2 上位機總體架構(gòu)

基于C++搭建了軟件控制系統(tǒng)， 所搭建的控制系統(tǒng)分為4 層結(jié)構(gòu)，自下而上依次是硬件層、驅(qū)動層、任務(wù)層和交互層，架構(gòu)示意圖見圖4。 硬件層包括硬件控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)，主要有智能控制系統(tǒng)、運動執(zhí)行機構(gòu)、外部感知系統(tǒng)等；驅(qū)動層包括硬件采集與軟件通信協(xié)議，主要有數(shù)據(jù)采集、IO 控制、設(shè)備監(jiān)控、接口通信等；任務(wù)層的任務(wù)是數(shù)據(jù)管理，主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、文件管理等；交互層的任務(wù)是人機交互控制，主要有參數(shù)配置、操作模式選擇，界面顯示等。

圖4 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 上位機軟件調(diào)試界面

為了更好地進行礦用電鏟的自動化調(diào)試工作， 用Qt跨平臺編寫了上位機人機交互界面，見圖5。 完成電鏟挖掘流程分步調(diào)試功能， 主要包括操作模式選擇、 行走操作、點云識別處理、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、一鍵挖掘、回轉(zhuǎn)復(fù)位等。

在分步調(diào)試界面中可以進行電鏟本地模式和自動模式選擇，如圖5 中①所示，選擇本地模式則是電鏟的手動操作，由駕駛員使用原有操作桿來完成電鏟的挖掘過程，選擇自動模式后， 可在②進行電鏟挖掘模式或者行走模式的選擇，在進行模式切換時需要先進行抱閘，切換完成后再進行松閘。 電鏟模式及電機的實時狀態(tài)可以在③中實時顯示出來，便于調(diào)試者觀察。速度模式勾選決定著回轉(zhuǎn)時回轉(zhuǎn)電機的控制方式， 由于人工操作時轉(zhuǎn)矩控制能夠避免沖擊，能夠適當微調(diào)轉(zhuǎn)過角度，但是在自動模式下回轉(zhuǎn)過程是一次性完成， 對比轉(zhuǎn)矩控制方式與速度控制方式，規(guī)劃后的速度控制能夠使轉(zhuǎn)過的角度更加精確，沖擊也相對較小。④是軌跡規(guī)劃相關(guān)按鈕，激光雷達對電鏟狀態(tài)、點云信息進行初始化讀取，上位機規(guī)劃出最優(yōu)挖掘軌跡，將軌跡傳輸?shù)较挛粰CPLC 中，并對PLC 發(fā)送挖掘執(zhí)行命令，完成挖掘操作，最后將PLC 采集到實際挖掘數(shù)據(jù)、電鏟姿態(tài)、電機狀態(tài)寫入到文件中。 ⑤用來顯示軌跡狀態(tài)以及所規(guī)劃軌跡的性能指標。 ⑥主要顯示礦產(chǎn)在整個挖掘流程中的姿態(tài)信息， 主要包括提升距離、 推壓距離、回轉(zhuǎn)角度及斗桿傾角。⑦主要是電鏟姿態(tài)調(diào)整的參數(shù)輸入，根據(jù)輸入的參數(shù)，根據(jù)正轉(zhuǎn)選項來選擇方向，點擊回轉(zhuǎn)按鈕，會規(guī)劃對應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度數(shù)組，并傳遞給下位機同時向下位機傳遞回轉(zhuǎn)開始命令，電鏟開始回轉(zhuǎn)運動。同時子線程“讀取回轉(zhuǎn)狀態(tài)”開始讀取電鏟回轉(zhuǎn)完成狀態(tài)。而轉(zhuǎn)矩正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)矩矩模式下電鏟轉(zhuǎn)動操作， 長距離行走按鈕控制電鏟行走操作， 在這里只能進行前進或者后退。此外，急停按鈕按下會給推壓提升回轉(zhuǎn)電機的速度同時賦0， 使得設(shè)備運動停止， 給設(shè)備狀態(tài)賦值急停時，不能直接再次啟動，點擊恢復(fù)按鈕后，電鏟狀態(tài)從急停態(tài)恢復(fù)至工作態(tài)，可以再次啟動運行。

圖5 分步調(diào)試界面

4 上下位機通信

在上位機開發(fā)中，PLC 與上位機的穩(wěn)定通信是關(guān)鍵，上下位機通信主要用到了基于以太網(wǎng)的PLC 通信的開源庫Snap7 與經(jīng)常應(yīng)用在不同主機之間的Socket 通信兩種方式，見圖6。

圖6 上下位機通信

Snap7 通信靈活性高，穩(wěn)定性好，通用性強，在Snap7通信中主要用到函數(shù)包括IP 通信連接、讀取DB 塊數(shù)據(jù)、寫入DB 塊數(shù)據(jù)等，完成挖掘軌跡、停止、執(zhí)行等各類數(shù)據(jù)的交換。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，難免出現(xiàn)信號不穩(wěn)定甚至中斷的情況， 因此采用socket 通信方式來對通信質(zhì)量進行監(jiān)測。 上位機會觸發(fā)一個定時器通過socket 通信定時發(fā)送一系列通信診斷數(shù)據(jù)， 下位機會根據(jù)一定時間內(nèi)接收的數(shù)據(jù)信息判別通信質(zhì)量并傳遞到上位機， 在人機交互界面通信質(zhì)量處進行顯示， 若通信質(zhì)量較差時會重新進行連接操作。

5 下位機控制及驗證

在下位機搭建好PLC、變頻器、電機等硬件系統(tǒng)后，在PLC 中編寫了下位機電機控制程序。 以挖掘程序為例，首先PLC 的數(shù)據(jù)存儲區(qū)接收到上位機發(fā)送來最優(yōu)挖掘軌跡速度數(shù)組和數(shù)組中數(shù)據(jù)的數(shù)量， 然后再收到挖掘開始命令， 通過速度數(shù)組的下標再配合接通延時器以一定的時間間隔讀取規(guī)劃的速度數(shù)據(jù)，通過生成0-10V 的模擬量，傳送給變頻器，進而進行控制。 通過在電鏟試驗樣機進行挖掘?qū)嶒灉y試可知，在下位機控制中，電鏟的行走和回轉(zhuǎn)控制受到外界環(huán)境因素影響較小， 而挖掘過程中電鏟由于挖掘模型的不確定性，實際工況條件惡劣，挖掘阻力較大，造成規(guī)劃軌跡與實際挖掘軌跡有較大偏差的問題。

西門子S120 變頻器初次驅(qū)動電機時需要將電機參數(shù)輸入到變頻器中進行電機識別， 并建立新電機的數(shù)學(xué)模型，加強對電機特性的控制，保證了電機的精確控制和安全運行。另外，為了實現(xiàn)對最優(yōu)挖掘軌跡的實時跟蹤控制，采用PID 控制算法，控制效果較好，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用范圍廣，能夠滿足要求。

PID 控制系統(tǒng)框架見圖7，通過改變控制參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)控制輸入的目的，控制的規(guī)律為

圖7 PID 系統(tǒng)框圖

PLC 通過讀取斗桿推壓電機絕對值編碼器和提升電機絕對值編碼器數(shù)值， 并通過A/D 轉(zhuǎn)換和計算后得到推壓電機和提升電機的實際執(zhí)行轉(zhuǎn)速， 作為PID 控制的反饋，在變頻器內(nèi)部應(yīng)用PID 控制，可以根據(jù)需要選擇自整定方法確定最佳的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，實現(xiàn)理想的調(diào)節(jié)控制，能夠滿足大多數(shù)系統(tǒng)要求。

通過電鏟樣機挖掘?qū)嶒?，見圖8，計算鏟斗中物料體積，得出實際挖掘的滿斗率約為90%，與規(guī)劃得到的滿斗率96.8%相比，誤差在10%以內(nèi)，考慮到在實際挖掘過程中塊狀物料會有部分溢出無法全部進入鏟斗， 導(dǎo)致滿斗率偏低。通過規(guī)劃轉(zhuǎn)速與電機實際轉(zhuǎn)速對比，見圖9，其中（a）和（b）是根據(jù)實際挖掘堆料面規(guī)劃出的最優(yōu)挖掘軌跡，挖掘物料面時實際執(zhí)行轉(zhuǎn)速幾乎能夠跟蹤規(guī)劃轉(zhuǎn)速，誤差在5%以內(nèi)，3～7s 時間段內(nèi)推壓電機轉(zhuǎn)速存在一定波動， 因為鏟斗在切入料堆的過程中在斗桿伸長的方向上挖掘阻力較大。 此外，無論是提升電機還是推壓電機在挖掘開始與結(jié)束時刻存在一定誤差， 主要是考慮到人工操作時存在誤觸，在設(shè)計PLC 程序時增加了閾值保護功能，當給予電機的指令速度小于50r/min 時，電機不執(zhí)行。

圖8 挖掘?qū)嶒灹鞒?/p>

圖9 挖掘?qū)嶒灲Y(jié)果對比

6 結(jié)論

開發(fā)了面向智能礦用電鏟的軟、硬件控制系統(tǒng)，搭建了以PLC+基礎(chǔ)變頻傳動的電氣控制系統(tǒng)， 完成行走、挖掘、卸料、復(fù)位等基礎(chǔ)挖掘流程；建立了上下位機通信，實現(xiàn)了控制命令、 應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳遞以及通信監(jiān)測等功能；并且基于Qt 初步搭建了上位機人機交互界面，實現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)換、參數(shù)輸入、分步調(diào)試、狀態(tài)顯示和急?；謴?fù)等功能；利用基于真實礦山物料搭建實驗場地和電鏟實驗平臺對上述功能進行挖掘作業(yè)測試， 實驗結(jié)果表明，縮比樣機可以完成電鏟整體挖掘流程， 軌跡跟蹤誤差小，滿斗率與規(guī)劃結(jié)果相近，為后續(xù)電鏟的無人化奠定基礎(chǔ)。