岳東旭

(西山煤電 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機是巷道掘進(jìn)的設(shè)備，主要應(yīng)用于煤礦或者鐵路的采掘生產(chǎn)和挖掘施工。傳統(tǒng)的掘進(jìn)機采用人工目測和手動操作進(jìn)行控制，不但欠挖和超挖情況時有發(fā)生，而且井下或洞內(nèi)工作人員勞動強度大、安全性差。隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于多傳感器監(jiān)測技術(shù)和實時控制技術(shù)的智能控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)采挖斷面的自動成形，提高掘進(jìn)機工作效率，對于提高煤礦綜采的自動化水平和安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

1 懸臂式掘進(jìn)機控制功能

懸臂式掘進(jìn)機的工作過程為：截割頭通過水平液壓油缸、垂直升降油缸和伸縮油缸實現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)、垂直升降和伸縮等運動，對斷面進(jìn)行截割使煤掉落；裝運機構(gòu)的行星輪和鏟板將煤裝載到運輸機的輸送帶上，然后運出巷道；走行機構(gòu)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動實現(xiàn)掘進(jìn)機機身移動。分析上述掘進(jìn)機的工作過程及其智能化控制要求，一套完整的懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)的基本功能包括：

(1)掘進(jìn)機位姿測量。掘進(jìn)機位姿測量是指對掘進(jìn)機的位置和姿態(tài)進(jìn)行測量，在掘進(jìn)工作中，掘進(jìn)機在巷道的坐標(biāo)關(guān)系到掘進(jìn)工作的進(jìn)度和位置是否滿足要求，掘進(jìn)機機身姿態(tài)關(guān)系到巷道成型質(zhì)量，因此位姿測量是掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)最基本的功能之一。本文采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)和地磁融合技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)機位姿測量，能滿足綜合自動控制系統(tǒng)對位姿測量的要求。

(2)截割頭位姿測量。為實現(xiàn)斷面的自動成形必須對截割頭位置和姿態(tài)進(jìn)行測量，截割頭的位置和姿態(tài)取決于水平液壓缸、垂直液壓缸和伸縮液壓缸，本系統(tǒng)采用磁致伸縮式位移傳感器和傾角儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后配合相應(yīng)算法進(jìn)行位姿解算。

(3)煤巖識別。為實現(xiàn)自動截割必須對空轉(zhuǎn)、截割煤層和截割巖層進(jìn)行識別，本文采用多傳感器對電機電流、油缸壓力和速度等運行參數(shù)進(jìn)行采集，然后對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合從而分析當(dāng)前截割狀態(tài)。

(4)自動成形截割。將油缸和截割電機的數(shù)據(jù)作為反饋量，用來控制截割頭的移速和轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)截割面的自動成形。

(5)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制?？刂破鞑杉臄?shù)據(jù)通過CAN總線上傳到機載計算機數(shù)據(jù)庫，機載計算機通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示。掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程通信接口接收遠(yuǎn)程計算機發(fā)出的指令，根據(jù)指令完成遠(yuǎn)程控制。

2 綜合自動控制系統(tǒng)硬件

圖1為懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，包括傳感器模塊、DSP和CPLD控制模塊、比例液壓閥和掘進(jìn)機執(zhí)行機構(gòu)、上位機和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫等。捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊、超聲波傳感器和激光傳感器通過RS485與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。電流傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器和位移傳感器通過AD模塊與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集模塊得到傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并根據(jù)一定的控制策略給出相應(yīng)的控制信號，通過DA模塊控制比例液壓閥，或者通過IO結(jié)構(gòu)直接對掘進(jìn)機執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制，同時與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，遠(yuǎn)程計算機可通過TCP協(xié)議對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制器選型

懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)需要采集多組數(shù)據(jù)并完成處理，然后經(jīng)過分析和計算，對電機轉(zhuǎn)速、油缸位移進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)掘進(jìn)機的綜合自動化控制。為了滿足截割工藝算法的要求，控制器需要兼具豐富的接口和杰出的數(shù)據(jù)處理能力。相較于其他控制器，DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計，其運算速度更快、數(shù)據(jù)處理能力更強；CPLD具有多I/O接口、編程靈活的特點。因此，綜合自動控制系統(tǒng)的控制器選擇以DSP TMS320F2812為主控芯片，結(jié)合CPLD實現(xiàn)IO接口擴(kuò)展功能。

2.2 接口電路設(shè)計

接口電路設(shè)計是“DSP+CPLD”控制方案的核心部分。數(shù)字量接口電路通過光電耦合芯片TLP293-4和驅(qū)動芯片ULN2803將控制器的3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V電壓。RS485接口電路由DSP的SCIB模塊和MAX485組成，由于控制截割電機的變頻器采用PLC控制，因此還設(shè)計了RS232接口與DSP通信。由于掘進(jìn)機傳感器的輸出電壓較高，而DSP的ADC模塊電壓范圍不超過3.3 V，因此設(shè)計如圖2所示的模擬量采集接口電壓轉(zhuǎn)換電路，采用電阻分壓電路將電壓線性縮小，并設(shè)計了電壓跟隨電路和二極管鉗位電路以增強信號和保護(hù)DSP引腳。此外，還有控制量DA轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路和SD卡接口電路等。

圖2 模擬量采集接口電壓轉(zhuǎn)換電路圖

3 綜合自動控制系統(tǒng)軟件

綜合自動控制系統(tǒng)軟件針對不同功能采用模塊化設(shè)計語言，分為巷道斷面自動成形截割軟件、下位機軟件和上位機軟件。

巷道斷面自動成形截割軟件是掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)的核心軟件。針對不同形狀的斷面，掘進(jìn)機的工藝流程不同，截割路徑也不同。常見的標(biāo)準(zhǔn)斷面形狀有矩形、梯形和半圓拱形，不同斷面形狀的截割路徑如圖3所示。確定了不同形狀標(biāo)準(zhǔn)斷面的工藝流程和截割路徑后，編制巷道斷面自動截割成形程序，圖4為其流程圖。程序開始后選擇斷面形狀，調(diào)整截割臂位置在初始狀態(tài)后調(diào)用斷面自動成形控制子程序，通過控制液壓缸升降、回轉(zhuǎn)從而控制截割電機工作，當(dāng)掘進(jìn)頭到達(dá)工藝流程設(shè)定的終點后程序結(jié)束。

圖3 不同斷面形狀的截割路徑示意圖

圖4 巷道斷面自動截割成形流程

下位機軟件指的是掘進(jìn)機綜合自動控制器與機載計算機、機載傳感器之間的通信軟件和數(shù)據(jù)采集軟件，包括數(shù)據(jù)采集與處理程序、輸入輸出程序和通訊程序等。上位機軟件指的是掘進(jìn)機綜合自動控制器與遠(yuǎn)方監(jiān)控計算機通信軟件，以及遠(yuǎn)方監(jiān)控計算機的監(jiān)測界面軟件等。上位機軟件采用VS和QT進(jìn)行開發(fā)，完成掘進(jìn)機各項參數(shù)和運行信息的采集、顯示和存儲。上位機軟件采用多線程技術(shù)提高其響應(yīng)速度，主線程執(zhí)行主控界面更新任務(wù)，兩個以輔助線程分別執(zhí)行CAN通信任務(wù)和數(shù)據(jù)交互任務(wù)。

4 結(jié)束語

懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)的功能包括掘進(jìn)機位姿測量、截割頭位姿測量、煤巖識別、自動成形截割和遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制?；凇癉SP+CPLD”的控制器方案能夠充分發(fā)揮DSP和CPLD各自的優(yōu)勢，具有數(shù)據(jù)處理能力強和接口豐富等特點。懸臂式掘進(jìn)機綜合自動控制系統(tǒng)是一套結(jié)合多傳感器融合技術(shù)、煤巖識別技術(shù)和機器人技術(shù)的綜合控制系統(tǒng)，能夠提高綜采自動化水平和生產(chǎn)安全水平。