煤礦綜掘機智能遠程控制技術研究

田常勇

(山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000)

0 引言

受綜掘機智能控制技術發展水平影響，目前國內較多煤礦的綜掘機操作仍以現場駕駛室人工操作為主，不僅井下工作人員的安全無法得到有效保障，勞動強度較高，同時巷道掘進效果受人為因素影響較大，巷道截面成形質量較差。我國綜掘機智能化及無人化控制技術的發展還處于起始階段，部分以PID算法為主的控制系統能夠實現綜掘機的簡單控制及監測功能，但不具備通過對煤巖自動識別實現自適應截割及位姿精確定位等功能，系統智能化程度亟待提高。

針對現有綜掘機控制系統存在的不足，本文采用以PLC為控制核心、以太網及Profibus總線對通信網絡進行架構及多傳感器融合運行參數采集的系統設計方案，開發了一套煤礦綜掘機智能遠程控制系統，并將模糊控制及神經網絡技術與傳統PID控制算法相結合，確定了綜掘機自適應截割控制策略，通過識別不同煤層對截割電機電壓進行自動調節。通過該系統可實現對綜掘機的遠程監控、自適應截割控制及位姿精確定位等功能，對于提高綜掘機智能化運行水平具有重要意義[1-3]。

1 控制方案確定及系統功能分析

1.1 控制系統總體方案設計

為了實現對綜掘機的遠程自動化控制及運行監測，本文從控制核心、遠程監控平臺、現場操作臺、傳感器監測模塊、通訊網絡及液壓執行機構等方面對控制系統進行架構。綜掘機智能遠程控制系統總體結構如圖1所示。

圖1 綜掘機智能遠程控制系統總體結構框圖

在系統控制核心方面，選用PLC作為控制核心，同時采用主從結構對主控模塊進行架構，從而提高系統的工作效率及可維護性。主站PLC主要負責與地面監控平臺及現場操作臺進行數據交互，操控指令及運行數據通過以太網光端機與地面監控平臺實現傳輸，現場操作臺的控制面板、搖桿、按鈕及指示燈信號通過AD擴展模塊傳輸至主站PLC。從站PLC用于完成執行機構的控制及綜掘機運行參數的采集，從而實現對綜掘機懸臂、截割頭的自動控制，主從PLC通過Profibus實現通信。

運行狀態監測模塊的主要作用是對綜掘機油泵電機、截割電機及液壓油缸等主要部件進行實時監測及數據采集，從而通過數據反饋完成對截割部的自動控制，模塊由具備相應功能的各類傳感器組成。同時系統還可通過與主站PLC相連的CO傳感器及甲烷傳感器對現場環境進行實時監測，保證井下作業安全。

為了進一步保證從地面遠程監控站準確掌握井下作業現場的動態，系統配備了由防爆攝像頭、硬盤錄像機及顯示屏組成的視頻監控模塊，保存在硬盤錄像機中的監控視頻還可通過以太網傳輸至地面監控主機，保證井上與井下同時掌握綜掘機的實時運行狀態。

系統通信網絡由以太網及Profibus總線構成，地面遠程監控平臺與主站PLC通過以太網實現通信，主站PLC與從站PLC通過Profibus總線實現通信。為了保證在長距離下的通信質量，視頻監控模塊、現場操作臺均通過光纖以太網與地面遠程監控平臺完成通信，從而提高數據傳輸的可靠性。

綜掘機懸臂的升降及擺動、行走履帶的移動及張緊、截割頭的截割動作均通過從站PLC控制執行機構中的電液比例閥、油泵電機及液壓馬達等完成。在此過程中系統通過基于模糊神經網絡的PID控制策略對煤巖進行自動識別，從而改變控制電液閥的電壓量，實現對自動截割的自適應控制[4，5]。

1.2 控制系統功能分析

系統除了具備基本的油缸控制、保護功能及基本工況參數監測外，其核心功能還包括綜掘機智能遠程控制、自動截割控制、截割頭自適應截割控制和運行狀態全面監測等，系統具體功能分析如下：

(1) 智能遠程控制功能。除現場操作臺控制外，系統地面監控平臺可預先設置綜掘機行走方向及截割參數，并通過通信網絡給下位機下達控制指令從而實現對綜掘機的遠程操作。

(2) 自動截割控制。控制系統可通過監測參數反饋及相應控制算法對截割頭軌跡及運動路線進行自動計算規劃，通過PLC控制電液閥完成截割頭及懸臂的方向、速度及伸縮量等參數的自動控制，實現巷道掘進的自動化作業。

(3) 截割頭自適應截割控制。系統可對煤巖進行自動識別，當遇到硬度較低的巖層時可通過控制器自動調節輸出量控制截割電機轉速降低，反之遇到高硬度巖層時提高截割電機轉速，實現綜掘機的自適應截割。

(4) 運行狀態全面監測。系統通過各類傳感器對綜掘機各運行參數實時采集并實時顯示于遠程監控界面中，同時系統還具備視頻監控功能，實現對綜掘機運行的全方位實時監測。

2 自適應遠程截割控制策略

在巷道掘進過程中，煤巖的硬度等特性時刻處于動態變化狀態，使得綜掘機截割部負載波動較大，極易造成截割電機過載，從而導致電機發熱嚴重甚至燒毀，系統電能損耗較大。因此，利用相應控制策略，通過對掘進煤巖的自動識別，實現自適應遠程截割具有重要意義。傳統自動截割控制系統采用PID控制策略，通過系統偏差量輸入及分析反饋完成對執行機構的閉環控制，但傳統PID控制方式由于截割部數學模型建立困難，因此控制效果較差。在此基礎上通過模糊推理實時調整PID參數可進一步提高其控制精度、降低超調量。為了進一步提高推理速度，可利用具有較強學習能力的神經網絡對模糊規則進行調整訓練，從而更加快速準確地實現PID參數的自適應調節。

基于上述分析，本文對基于模糊神經網絡的PID控制器進行設計，實現綜掘機截割部遠程控制系統的自適應調節功能，相應控制器控制原理如圖2所示。

圖2 模糊神經網絡PID控制器控制原理圖

首先選取截割電機的電流值作為反饋調節量，PID控制器及模糊神經網絡控制器的輸入量均為電流偏差量e(t)及de/dt，PID控制器的輸出量為電液閥控制電壓，PID控制器的三個參數由模糊神經網絡進行自適應整定。系統通過煤層自動識別所得到的電流變化與預設電流值進行對比，通過PID控制器對輸出的PWM波形占空比進行調節，從而調整電液閥輸入電壓實現截割電機轉速控制，進而實現截割部的自適應控制。

3 機身位姿監測實現

本系統采用激光電子經緯儀對綜掘機的機身位置及姿態進行測量，選取綜掘機機身上方三個位置來安裝激光接收器，并在機身后上方處安裝經緯儀用于激光信號的發送和接收，位姿監測裝置安裝位置如圖3所示。

圖3 位姿監測裝置安裝位置

系統以經緯儀為中心建立巷道靜止坐標系，由三個激光接收器建立基于綜掘機的坐標系，經緯儀發出激光信號后，通過機身上的激光接收器反饋綜掘機的距離及角度參數，該六組動態位姿參數經經緯儀分析計算后輸出相應電壓信號至PLC中，從而實現對綜掘機位姿的實時監測。

4 結束語

本文以傳統綜掘機遠程控制系統為基礎，采用了以PLC為控制核心、以太網+Profibus組合通信網絡的設計方案，在傳統PID控制方式的基礎上結合模糊控制與神經網絡技術對PID參數整定進行了進一步優化，從而實現了綜掘機自動截割的自適應控制，并實現了綜掘機位姿的實時監測，有效提高了綜掘機的智能化控制水平。