綜掘工作面成套設備協同控制系統方案

吳 東

(山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司 東曲礦，山西 古交 030200)

綜掘工作面粉塵多、濕度大、噪聲強，還存在冒頂片幫、沖擊地壓、瓦斯突出、底板突水等危險，威脅工人的身體健康并存在極大的安全隱患。為改善綜掘工作面工作環境，提升安全生產能力，提高綜掘工作效率，根據綜掘設備運行特點，設備間動作邏輯、時序、聯動關系，設計實時性強、控制精度高的綜掘工作面成套設備協同控制系統方案成為亟需解決的問題[1-2]. 綜掘工作面裝備以單體懸臂式掘進機+錨桿鉆機掘進、連續采集機組錨桿鉆機掘進、掘錨機聯合機組掘進3種模式為主，文獻[3]設計了綜掘工作面機電智能控制系統，引入分層設計理念，以中央控制系統為核心，采用推理決策方法、錨掘一體自適應、動載荷識別等方法實現設備協同控制；文獻[4]建立了綜掘設備姿態控制系統，并基于插值法和檢測技術對設備運行狀態實時監測；文獻[5]研究了綜掘設備間無線通信信息傳送機理，以無線通信模式實現了綜掘設備間運輸聯動和行走聯動，提高了綜掘掘進效率。本文在分析綜掘工作面成套設備單機動作、聯動動作的基礎上，以通用部分全局規劃方法(Generalized Partial Global Planning, GPGP )研究掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機間的協同控制方案，達到掘進、支護、運輸交叉平行作業，提升綜掘工作面生產效率的目的。

1 成套設備簡介

研究的綜掘工作面成套設備由掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機3部分組成，依次完成割煤、敲幫問頂、移前探梁、鉆錨桿眼、注錨桿、掛金屬網和鋼帶、緊固錨桿、打錨索、破碎以及運輸任務，示意圖見圖1. 掘錨機選用MB670型掘錨機，配置有4臺頂錨桿機，鉸接在底座上，以擴大打頂錨桿的范圍；2臺側幫錨桿機安裝于工作平臺，可利用液壓系統控制并調整側幫錨桿的高度。該掘錨機一次行程為2.4 m，當截割深度達2 m時，需進行頂錨桿、側幫錨桿支護工作。錨運破一體機為掘錨機的后配套裝置，由前端的對輥破碎機對煤料進行擠壓破碎并經皮帶轉運至轉載皮帶機；錨運破一體機根據掘錨機位置，利用履帶板實現行走動作；錨運破一體機設置有3臺頂錨桿液壓鉆機、2臺側幫錨桿液壓鉆機便于施工角錨桿。轉載皮帶機為錨運破一體機的后配套裝置，用于轉載運輸破碎后的煤料。

圖1 綜掘工作面成套設備示意框圖

2 系統設計

綜掘工作面成套設備協同控制系統設計框圖見圖2，掘錨機控制子系統、錨運破一體機控制子系統、轉載皮帶機控制子系統以CAN總線通信模式將各自設備的運行狀態、絕對位置、故障狀態等信息傳送給綜掘成套設備協同控制系統。綜掘成套設備協同控制系統對信息進行綜合分析、判斷，實現掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機的啟動過程、工作跟機過程以及停機過程的協同控制。本文研究的綜采工作面成套設備啟動過程需遵循轉載皮帶機、錨運破一體機刮板輸送機、掘錨機刮板輸送機順序啟動流程；確認全部啟動成功后，開始工作跟機過程。進行工作跟機過程控制時，需周期性采集設備的狀態信息、相對位移、故障信息，確認所有信息滿足要求后掘錨機才可開始截割工作。掘錨機掘進一個工作循環后，協同控制掘錨機前移、錨運破一體機前移、轉載運輸機前移并達到前移極限位置，同時錨運破一體機牽引自移輸送機平移至系統指定位置。進行停機過程控制時需遵循掘錨機刮板輸送機停止、錨運破一體機刮板輸送機停止、轉載皮帶機停止流程，防止發生堆煤和煤料散落故障。

圖2 綜掘工作面成套設備協同控制系統設計框圖

為實現掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機的系統控制，將兩臺激光測距儀布置于掘錨機機身前后的中線處并于機身兩側距離一致；將一臺激光測距儀布置于掘錨機前部機身中線處；將一臺單軸傾角傳感器布置于掘錨機截割臂中央處，將一臺三軸傾角傳感器布置于掘錨機機身中央處。激光測距儀選用的型號為RLM-S30，測量精度為±1.5 mm，響應實踐≤0.1 s，支持CAN總線通信，最遠傳輸距離為30 m，防護等級為IP7. 錨運破一體機機身分布一個傾角傳感器、4個激光測距儀。其中傾角傳感器安裝于錨運破一體機機身中央處；機身前端、后端以及兩側分別布置一個激光測距儀。單軸傾角傳感器選用的型號為ZCT1360J-LBS-BUS-77，三軸傾角傳感器選用的型號為ZCT330 M-LXS-140，測量范圍為0～360°，分辨力為0.1°，精度為±0.5°，響應時間≤0.1 s；上述傳感器滿足掘錨機、錨運破一體機使用要求。轉載皮帶機機身布置有速度、打滑、煙霧、跑偏等傳感器，實時監測轉載皮帶機故障狀態。

3 硬件設計

綜掘工作面成套設備協同控制系統硬件設計框圖見圖3. 中央控制單元由STM32L072CZ芯片微控制器最小單元、無線收發模塊組成。設計協同控制系統數據通訊鏈路冗余結構，即可通過無線、有線模式完成設備間數據傳輸，具體為：無線收發模塊以ZigBee無線通信模實現數據傳輸；PLC控制器的CAN1、CAN2以及CAN通訊接口分別與掘錨機控制子系統、錨運破一體機控制子系統、轉載皮帶機控制子系統完成狀態信息、傳感器數據、控制信號的傳輸；對接收到的數據進行邏輯分析、判斷、計算后實現設備協同聯動；設計的協同控制系統發生故障時，可觸發報警單元進行聲光語音報警并將故障信息顯示于顯示單元；存儲單元用于存儲設備運行過程中的故障信息、核心參數、過程指令，用于顯示單元查看設備歷史運行數據。顯示單元安裝于地面控制中心，中央控制器以CAN總線通信模式將設備運行數據傳送至顯示單元，完成設備運行過程、協同控制指令的實時顯示；同時可通過該顯示單元完成設備的起停控制和參數設置。顯示單元采用LD-A-CAN防爆觸摸屏以及3DVR液晶屏。

圖3 綜掘工作面成套設備協同控制系統硬件設計框圖

4 軟件設計

綜掘工作面成套設備協同控制系統軟件設計基于Keil ARM軟件平臺，采用C語言編程實現，具體軟件流程見圖4. 協同控制系統對采集到的掘錨機控制子系統、錨運破一體機控制子系統、轉載皮帶控制子系統所有傳感器數據進行邏輯分析、計算并完成相應設備的單機控制、聯動控制等過程。

圖4 綜掘工作面成套設備協同控制軟件流程圖

綜掘工作面成套設備協同控制系統軟件設計重點對掘錨機與錨運破一體機協同控制、錨運破一體機與轉載皮帶機協同控制進行分析。上述3設備協同控制任務集合見表1，在協同控制時，按照表1所述任務進行系統設計。

將通用部分全局規劃(Generalized Partial Global Planning, GPGP)方法引入綜掘工作面成套設備協同控制系統中，掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機各自任務執行過程中，以通信模式實現各設備間信息共享，根據各自任務分配、約束關系、時序關系以及促進關系，以任務視圖形式進行描述，實現由整體到單機設備的任務協調分配，實現成套設備的任務協調控制[6]. 在進行GPGP協同控制時，采用非強制性關系處理策略(即任務時序關系、任務激勵關系)，并以完成綜掘工作面掘進、支護、運輸任務，滿足綜掘工作面效益考核標準為目標。

綜掘工作面成套設備協同控制相關元素定義為{E,S,M,G}，其中E為設備分布狀態；S為設備集合狀態；M為設備任務集合狀態，如表1所示；G為設備間的約束集合。假設由掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機組成的S={S1,S2,S3}執行多任務M={M1,M2,M3},該數學模型可描述為：

表1 綜掘工作面成套設備控制任務描述表

(1)

其中，Xi,j,k為0、1決策變量，Oi,j,k為對應設備執行任務時的效能，并有式(2)約束關系：

(2)

由式(2)可知，根據設計的掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機協同控制任務視圖，可保證在確定的時間點、空間點，只有一個設備在執行分配的任務，杜絕了多設備間的干涉問題。

4.1 掘錨機協同控制方案

圖5 掘錨機協同控制任務視圖

4.2 錨運破一體機協同控制方案

錨運破一體機協同控制任務視圖見圖6，在完成掘錨機的位姿調控后才可進行自身單設備任務控制；且完成掘錨機星型集裝臂動作后才可進行皮帶速度控制。

圖6 錨運破一體機協同控制任務視圖

4.3 轉載皮帶機協同控制方案

轉載皮帶機協同控制任務視圖見圖7，以完成掘錨機位姿調控、錨運破一體機位姿調控為前提，依次完成皮帶延伸控制和皮帶速度控制。

圖7 轉載皮帶機協同控制任務視圖

5 結束語

以綜掘工作面掘錨機、錨運破一體機、轉載皮帶機組成的成套設備為研究對象，設計了一種基于GPGP方法的綜掘工作面成套設備協同控制系統方案，重點對系統的軟硬件設計進行闡述，并達到掘、支、運交叉平行作業的目的。該方案以CAN、無線通信模式實現了設備間信息共享，由協同控制系統實現了設備間的任務協同分配和協同控制，降低了設備堆煤等故障發生率，提升了設備運行效率，為實現綜掘工作面的全自動化、少人化設計提供參考。