掘進機自動控制系統(tǒng)的分析

陳 晨

（山西焦煤西山煤電集團有限責任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

引言

掘進機在煤炭開采作業(yè)中已被廣泛使用，隨著社會的發(fā)展與進步，煤炭礦井生產(chǎn)不斷向著省時、省力、高效、安全以及舒適性等方向發(fā)展，掘進機在現(xiàn)場應用中雖能滿足煤炭開采作業(yè)的基本要求，但是存在諸多問題需要改進，例如：設備普遍使用人工操作，工作人員勞動強度非常大，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)和院校的科研部門都在探索如何將機器人自動化技術(shù)應用在煤礦機電設備領(lǐng)域。煤礦掘進機器人不僅可以完成長時間、高強度作業(yè)，增加作業(yè)安全性，減少工人勞動強度；而且能夠在各種有害、危險環(huán)境里實現(xiàn)無人作業(yè)，因此，完善與提高掘進機控制的自動化技術(shù)對煤礦井下開采具有重要意義[1]。

1 執(zhí)行機構(gòu)及其操作流程

自動掘進首先利用液壓式馬達帶動刀盤進行旋轉(zhuǎn)，同時開啟油缸向前推動，刀盤在油缸帶動下緩緩前伸的同時持續(xù)旋轉(zhuǎn)，當掘進產(chǎn)生的渣土填滿泥土倉，系統(tǒng)將開啟螺旋式輸送機將渣土傳送至輸送機皮帶上，再輸送到渣土車箱內(nèi)，然后經(jīng)由豎井送達地面[2]。自動掘進機器人可以對預定的慣性三維坐標軌跡進行跟蹤，是其另外一項普通掘進機無法實現(xiàn)的重要功能。

1.1 自動掘進執(zhí)行機構(gòu)

能夠使掘進機在巷道里靈活行動，采用雙履帶式行走結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)字信號來控制履帶電機，這樣可以使掘進機靈活地運動于一個二維平面上。

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

圖1 掘進機器人運動機構(gòu)示意圖

1.2 執(zhí)行機構(gòu)操作流程

當掘進機開始工作時，自動控制程序先要進行參數(shù)的初始化工作，當初始化完成后，掘進機進入工作準備狀態(tài)，此時對掘進機發(fā)出工作指令，掘進機在程序控制下進入工作狀態(tài)，依據(jù)導航進行定位，并獲取三維作業(yè)空間施工位置及相關(guān)信息，將所測數(shù)據(jù)加以分析，同設定的運行軌跡進行比較，完成控制跟蹤。在截割任務完成時，掘進機由慣性測量系統(tǒng)跟機械臂傳感器相組合使用，分別取得掘進機狀態(tài)信息及機械臂方位信息，對數(shù)據(jù)加以分析，再由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)任務，進行施工作業(yè)計劃，使用神經(jīng)PID 控制操作系統(tǒng)速寫PID 數(shù)據(jù)[3]。

2 自動控制系統(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 個部分，分別是上位機、下位機、驅(qū)動程序及其慣測系統(tǒng)。將上位機放置在遠離工作現(xiàn)場的操作間內(nèi)，主要負責人機交換方面的相關(guān)工作，以及完成掘進機實時的工作狀況監(jiān)控和初始化，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

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

2.2 自動掘進控制流程

2.2.1 系統(tǒng)初始化流程

掘進機工作過程中有S1、S2、S3、S4、S5 五個狀態(tài)，分別為開始、待機/暫停、行駛、截割和停止[4]，詳見圖3。

圖3 工作流程狀態(tài)圖

系統(tǒng)開機初始運行進入S1 工作狀態(tài)，首先自檢，確定宰割頭和掘進機的運行軌跡參數(shù)，同時通過系統(tǒng)識別，同時進行軌跡預覽。工作狀態(tài)從S1 轉(zhuǎn)入S2。在系統(tǒng)進入S2 狀態(tài)時，系統(tǒng)遵照指定運動的距離及軌跡，對當前能否前進作出判斷。如果能，人工進行啟動指令信號輸入，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入S3 工作狀態(tài)；當S3 處于工作時，控制程序會將掘進機實際工作軌跡與預存在CPU 內(nèi)的工作軌跡進行比較計算，計算出它們之間的實際誤差，并將這一誤差參數(shù)經(jīng)CAN 輸送給PLC 控制驅(qū)動器，由PLC 完成軌跡運行調(diào)整。當自動控制進入S4 截割狀態(tài)時，系統(tǒng)先由PLC 發(fā)出安放支架指令，PLC 負責傳送支架安放完成的信息。按照控制計算方法，控制截割頭完成任務。在完成前橫切面任務后，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)進入S2 工作狀態(tài)[5]。

2.2.2 自動掘進流程

掘進機通電后，各個部件開始進行初始化運行，完成自檢設備，掘進機經(jīng)過自檢后進入等待操作人員運行指令程序，當掘進機接收到由工作人員發(fā)出的開始工作的命令后，掘進機控制程序同時接受地面上位機發(fā)出的掘進機工作軌跡的數(shù)據(jù)信息，同時，控制程序?qū)蜻M機進行定位檢測，當檢測結(jié)果和上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)指令一致時，系統(tǒng)將發(fā)出支架進行安裝的命令，隨即掘進機進入截割過程。截割的過程將由PID 對掘進頭進行精確控制。當數(shù)據(jù)指令不一致時，掘進機將進入等待程序，由人工修正，進而達到設置位置。當一個工作面切割完成后，掘進機將支架收起，等收起支架后系統(tǒng)再進行下一個軌跡數(shù)據(jù)裝載，之后即開始新一輪作業(yè)。

3 CAN 總線網(wǎng)格通信

CAN 總線通信網(wǎng)絡是連接上位機和下位機之間的信息通路，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現(xiàn)相互通信，通信過程可分為接收通信和發(fā)送通信，其中發(fā)送通信相對比較簡單，但接受通信相對就比較復雜了，它必須在整個工作過程中始終對網(wǎng)絡進行檢測，檢測網(wǎng)絡有無接收的數(shù)據(jù)，當有接收數(shù)據(jù)時，PCI-5110CAN 將告知有數(shù)據(jù)需要接收，這時程序?qū)⑦M行數(shù)據(jù)接收，此時如果在一定時間里沒收到發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)束符號，這時程序?qū)l(fā)出超時幀。當接收數(shù)據(jù)時，程序?qū)γ恳粠M行相應分析，判斷其正確與否，如正確將發(fā)出相應指令，最后將內(nèi)存清除。

4 PID 控制

PID 網(wǎng)絡控制器的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)比較簡單、可靠性能強、穩(wěn)定性能高、便于工程實施等。要實現(xiàn)它的功能和作用，要根據(jù)其所控制目標的模型將正確的PID 控制參數(shù)設定即可。掘進機的自動操作系統(tǒng)屬于非線性復雜的系統(tǒng)，不太容易建成精準性數(shù)學模型，并且隨著工作狀態(tài)的不斷變化，模型所設定的參數(shù)也會隨之發(fā)生變化。例如掘進機在切割煤層工作中，因為液壓缸對掘進機產(chǎn)生的作用力和掘進機工作振動，會造成車身變形，由于機械臂和車身為一體，假如截割頭控制器仍按照原定軌跡進行截割，將會發(fā)生超挖、欠挖的現(xiàn)象。IPD 控制器可以在掘進機工作過程中，根據(jù)收到各種參數(shù)進行PID 的調(diào)整，滿足控制的實時需要。從理論上講，神經(jīng)網(wǎng)絡能夠近似所有非線性函數(shù)。具備自學習和自適應以及并行處理、容錯性強等性能[6-7]。由此本文將神經(jīng)網(wǎng)絡跟PID相結(jié)合，并在掘進機控制自動操作系統(tǒng)中加以應用。

5 結(jié)語

通過對掘進機的掘進自動控制系統(tǒng)設定，在掘進機的車身上安裝傳感器與測量系統(tǒng)，并利用慣性測量系統(tǒng)對掘進機工作時的位置加以定位，利用掘進機各傳感器得知其工作狀態(tài)，將采集接收的數(shù)據(jù)進行處理運算后，再通過設定算法控制掘進機驅(qū)動系統(tǒng)。

掘進機掘進自動控制系統(tǒng)是采用CAN 總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信。本文將網(wǎng)絡神經(jīng)PID 系統(tǒng)控制算法應用在掘進機軌跡運行控制上，使得掘進機能夠按照系統(tǒng)設定好的中心線巷道軌跡完成自主作業(yè)。