基于紅外檢測裝置的采煤機定位算法研究

劉 清，魏文艷

（北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京 100013）

0 引言

目前，大多數液壓電液控制系統支架采用紅外檢測裝置（紅外發射器和紅外接收器）來識別采煤機位置及運行方向［1－6］，但由于煤礦井下綜采工作面的環境比較惡劣，大功率配套設備較多，每個支架上安置的紅外接收器有時難免會出現故障或受到干擾，導致電液控制系統對采煤機位置信息識別能力降低，甚至出現錯誤信息［7］。本文基于紅外檢測裝置識別采煤機位置的原理，提出了一種新的煤機定位算法，應用于電液控制系統中，以提高電液控制系統對煤機信息的識別能力和容錯能力。

1 基于紅外檢測裝置的煤機定位算法原理

紅外線采煤機位置檢測裝置由發射器及接收器兩部分構成。其中發射器安裝在采煤機上，接收器安裝在液壓支架立柱上。在一個工作面上只需要一個發射器，而接收器的數量需根據液壓支架的個數進行配置。采煤機位置檢測示意圖見圖1，當采煤機運行時發射器不停地發射紅外線信號，采煤機附近多個支架上的接收器可能同時接收到紅外線信號，收到信號的接收器向支架控制器報送采煤機位置信號。隨著采煤機的運行，不同支架上的支架控制器對接收到的實時的采煤機位置信息進行定位算法處理后，通過總線發布給整個工作面的電液控制系統網絡。

2 煤機定位算法設計

2．1 設計原則

（1）高效性。電液控制系統中包括支架控制器、網絡變換器、井下電液控主機、井下自動化主機等，由于集成的自動化設備較多，各設備之間通訊的穩定性受到井下工作面環境的影響較大，因此本文設計的煤機定位算法僅依賴于支架控制器和網絡變換器，對電液控制系統的通訊冗余度要求較低，以達到簡單高效的目的。

圖1 采煤機位置檢測示意圖

（2）準確性。經過煤機定位算法識別出的煤機信息包括采煤機運行的位置（以采煤機正對的支架編號標識）和采煤實際運行的方向（朝大號支架方向運行作為上行；反之，作為下行）。

（3）容錯性。當電液控制系統中的若干不相鄰的紅外接收傳感器出現故障時，煤機定位算法仍能夠計算并輸出正確的采煤機位置和運行方向。

2．2 算法設計

本文的設計算法在電液控制系統中實現，該系統通訊由CAN總線和CAN鄰架線組成，采煤機定位算法分別用于支架控制器軟件和網絡變換器軟件中，并且由二者協同處理完成。電液控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 電液控制系統結構框圖

算法中涉及的3種數據幀結構體F如下：

Typedef struct F｛

unsigned int ulPri；／／優先級

unsigned int ulCmd；／／命令碼

unsigned int ucDataLen；／／數據長度

unsigned int ucBuf［8］；／／幀數據

unsigned int ulDir；／／方向碼

…

｝；

struct F F1；／／支架控制器之間交互的信息幀

struct F F2；／／支架控制器報送給網絡變換器的煤機位置信息幀struct F F3；／／網絡變換器廣播的煤機信息幀

3種數據幀的數據內容及含義如表1所示。

表1 數據幀對比表

采煤機位置識別流程圖如圖3所示，工作面支架控制器判斷本架紅外接收器是否收到紅外發射器的信號，如果收到信號，再根據與左右鄰架的控制器的交互信息幀的內容來決策處理交互信息幀的方式；如果未收到信號，且收到鄰架交互信息幀，那么根據交互信息幀中的計數器決策是否向網絡變換器報送煤機位置。在此決策過程中，控制器根據交互信息幀中收到的煤機信號的最小架號和最大架號計算得出采煤機機身中心所對應的支架編號，將此架號作為煤機位置報送給網絡變換器。

采煤機運行方向識別流程圖如圖4所示，網絡變換器監聽工作面支架控制器通過總線報送的煤機位置信息，如果收到來自工作面的信息幀，那么根據信息幀中的煤機位置架號與上一次工作面報送的煤機位置架號關系決策煤機運行方向；如果未收到來自工作面的信息，那么根據超時定時器是否超時判斷是否廣播煤機位置（最后一條來自工作面報送的煤機位置架號）。

圖3 采煤機位置識別流程圖

圖4 采煤機運行方向識別流程圖

2．3 算法實現

本設計算法采用嵌入式C語言編寫實現，根據上述流程圖介紹，算法分為兩部分：采煤機位置識別流程主要在支架控制器程序中完成；采煤機運行方向識別流程在網絡變換器程序中完成。

支架控制器中算法程序部分代碼如下：

if（ir＿flag＝＝1）

｛ucBuf［5］＝NATIVE＿NUM；／／此架接收到紅外線信號｝

else｛ucBuf［5］＝ucBuf［5］；／／此架沒有接收到紅外線信號

if（ucBuf［3］＞＝2）｛MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

sem＿can＿buf［7］＝sem＿can＿buf［5］；

sem＿can＿buf［8］＝0；

if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿LEFT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿LEFT；｝

else if（tmpframe［13］＝＝CAN＿PORT＿RIGHT）

｛sem＿can＿buf［13］＝CAN＿PORT＿RIGHT；｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；

網絡變換器中算法程序如下：

if（rec＿flag＝＝1）

｛If（ucBuf［0］＞＝shear＿locate＿pre）

｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝2；／／煤機上行｝

Else｛shear＿location＝ucBuf［0］；

ucBuf［1］＝1；／／煤機下行｝

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；／／報送給工作面｝

else

｛if（（SEC＿TIMER－shear＿stop＿time）＞120）

｛ucBuf［1］＝0；

MemTranPostA（＆sem＿can＿buf［0］）；｝｝

3 算法測試與驗證

3．1 測試平臺及方法

測試平臺由80套支架控制器和人機操作界面、1套網絡變換器和人機操作界面、80個紅外接收傳感器、1個紅外發射器及若干連接器組成。系統平臺搭建完成后，通過移動紅外發射器的方式模擬井下采煤機的運行軌跡。

算法的高效性和準確性通過測試電液控制系統中報送的采煤機的位置和方向進行驗證，測試條件主要分為4種情況：采煤機上行、下行、停止及采煤機上下行切換。算法的容錯性通過斷開某一個支架控制器相連接的紅外接收傳感器的方式，模擬井下紅外傳感器的故障情況。

3．2 測試結果

圖5為模擬采煤機經過1號支架和2號支架上行過程時，網絡變換器下發到工作面的煤機位置及運行方向數據。

圖5 采煤機上行時測試數據截取

圖6為模擬采煤機在4號支架處反向運行，由原來的上行切換為下行過程時，網絡變換器下發到工作面的煤機位置及運行方向數據。通過分析測試數據中的“時間標識”得出，采煤機定位算法能夠在較短的時間內精確地報送工作面煤機位置及運行方向信息，驗證了算法的精確性和實時性。

此外，對采煤機停止時及某一紅外接收傳感器斷開時進行了測試。測試結果說明采煤機定位算法具有較強的容錯能力。

圖6 采煤機上下行切換及下行時測試數據截取

4 結論

本文基于紅外檢測裝置識別采煤機位置的原理，設計的采煤機定位算法結合電液控制系統實現了采煤機位置的快速定位功能，并具備一定的容錯能力。在實際應用過程中，準確的采煤機位置信息為煤礦井下自動化系統的穩定運行提供了可靠保障。

［1］ 李蒙，魏巍．液壓支架電液控制器設計與實現［J］．煤炭科學技術，2011，39（4）：110－113．

［2］ 伍小杰，程堯，崔建民，等．液壓支架電液控制系統設計［J］．煤炭科學技術，2011，39（4）：106－109．

［3］ 朱小林，李首濱．采煤機速度對綜采工作面跟機自動化影響研究［J］．煤炭工程，2008（2）：79－81．

［4］ 張守祥，李首濱，張良．綜采工作面監控信息系統研究［J］．煤炭工程，2001（8）：45－47．

［5］ 方新秋，何杰，張斌，等．無人工作面采煤機自主定位系統［J］．西安科技大學學報，2008（2）：349－353．

［6］ 方新秋，張雪峰．無人工作面開采關鍵技術［G］／／煤炭開采新理論與新技術論文集．徐州：中國礦業大學出版社，2006：55－59．

［7］ 樊啟高，李搖威，王禹橋，等．一種采用捷聯慣導的采煤機動態定位方法［J］．煤炭學報，2011（10）：1758－1761．