劉錦福

（潞安集團(tuán)寺家莊有限責(zé)任公司，山西 昔陽(yáng) 045300）

引言

掘進(jìn)機(jī)的控制模式早期都是間接控制，隨著科技智能化的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化控制。智能化控制系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)快速、準(zhǔn)確和高效作業(yè)的必備條件。國(guó)內(nèi)外專家在掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)方面都有重要的研究發(fā)現(xiàn)。從國(guó)外研究上看，Baiden等人通過(guò)用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺(jué)功能來(lái)控制掘進(jìn)機(jī)。美國(guó)卡內(nèi)基大學(xué)研發(fā)了一款可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)定向的智能控制系統(tǒng)。Barrett等采用雙目視覺(jué)和慣性導(dǎo)航聯(lián)合的方式來(lái)達(dá)到對(duì)掘進(jìn)機(jī)精確定位的目的。從國(guó)內(nèi)研究上看，姜鶴等利用單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的精準(zhǔn)切割和故障預(yù)警。王曉軍通過(guò)PLC控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控掘進(jìn)機(jī)。但PLC控制器存在電路復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，難以處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，加上遠(yuǎn)程通信效果差，對(duì)液壓系統(tǒng)要求高等諸多問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，王鑫等通過(guò)采用PLVC控制器對(duì)掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和提升。劉國(guó)鵬等通過(guò)Inter Control控制器實(shí)現(xiàn)了通信上的穩(wěn)定。田劫等通過(guò)PPC實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的智能控制。簡(jiǎn)而言之，老式的單片機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但無(wú)法勝任復(fù)雜工作；PLC控制器有一定改進(jìn)但仍存在諸多問(wèn)題；PLVC、Inter Control、PCC控制器雖然可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和穩(wěn)定通信，但仍無(wú)法滿足智能控制系統(tǒng)對(duì)控制器精準(zhǔn)度調(diào)節(jié)等需求。面對(duì)這些問(wèn)題，宋棟等用DSP設(shè)計(jì)了一個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。榮航等通過(guò)DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割頭的自適應(yīng)控制[1-3]。但是DSP存在邏輯控制能力弱，對(duì)于邏輯復(fù)雜的控制系統(tǒng)難以駕馭。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究采用DSP+CPLD的模式設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)并進(jìn)行功能驗(yàn)證，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制器的不足，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化控制和精準(zhǔn)作業(yè)。

1 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)研究成果優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本文提出掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)案。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和總體的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步明確掘進(jìn)機(jī)智能控制系統(tǒng)的市場(chǎng)需求，確定關(guān)鍵技術(shù)的指標(biāo)，得到最終的整體設(shè)計(jì)方案。控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩方面，通過(guò)智能控制理論指導(dǎo)軟件開(kāi)發(fā)，最終完成整體設(shè)計(jì)，模塊調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)控制器相比，DSP控制器具有集成度高和運(yùn)行快的巨大優(yōu)勢(shì)，但DSP邏輯控制能力弱，大大削弱了它的競(jìng)爭(zhēng)力，導(dǎo)致單一的DSP控制器體現(xiàn)不出絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。而CPLD恰好彌補(bǔ)了這一缺陷，CPLD可編輯復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，容量大，靈活性和可操作性強(qiáng)，對(duì)于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的電路板，無(wú)需重新連線或制板，直接在CPLD的軟件中修正即可，非常便利。采用DSP+CPLD的控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)，不僅能降低編程難度，還能充分發(fā)揮控制器的功能[4-5]。

硬件部分主要包括接口（輸入接口和輸出接口）、控制量接口、采集接口、存儲(chǔ)模塊和通信接口及抗干擾裝置，各個(gè)部分缺一不可，并且硬件設(shè)計(jì)完成后還需要進(jìn)行硬件的調(diào)試，排除硬件本身問(wèn)題，滿足智能控制系統(tǒng)的需求，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集和處理功能、輸入和輸出功能以及通訊功能三大模塊。為滿足控制系統(tǒng)的需求，首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)激光測(cè)距、超聲波等數(shù)字量傳感器的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)根據(jù)模擬量傳感器的數(shù)據(jù)得到掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)相關(guān)信息，進(jìn)一步處理收集到的信息，提高信息的可靠度和精確度。

下頁(yè)圖1表明了在智能控制系統(tǒng)中數(shù)字量傳感器的采集和處理流程。首先DSP的SCIB模塊向接受數(shù)組發(fā)送指令，接受數(shù)組通過(guò)判斷進(jìn)行CRC或BBC校驗(yàn)，來(lái)判斷數(shù)據(jù)的正確性并進(jìn)行解析，最終將解析的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的傳感器數(shù)組中[6-7]。

圖1 數(shù)字量采集和處理流程

輸入和輸出模塊由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用Quartus II編程軟件進(jìn)行輸入和輸出程序的設(shè)計(jì)，運(yùn)用CPLD邏輯運(yùn)算功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，更加便捷地控制各個(gè)系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)。

DSP和CPLD之間的通訊連接并不是直接的，而是由XINTF接口進(jìn)行連接，來(lái)完成兩者之間信息交互傳遞。上下機(jī)位之間的通訊則由CAN總線來(lái)完成，上下機(jī)位之間采用中斷命令來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。

首先系統(tǒng)初始化后，繼而CAN總線初始化，當(dāng)CAN接收數(shù)據(jù)后，通過(guò)復(fù)位RMP標(biāo)志復(fù)位中斷標(biāo)志，再經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)解析子函數(shù)，來(lái)判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，若不發(fā)送數(shù)據(jù)，將進(jìn)入一個(gè)接收數(shù)據(jù)并解析的循環(huán)，若發(fā)送數(shù)據(jù)，則會(huì)將發(fā)送請(qǐng)求置位，并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完成后，復(fù)位發(fā)送成功標(biāo)志位，并給郵箱寫(xiě)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備下次發(fā)送。

2 功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，我們還需要對(duì)該智能控制系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，考察運(yùn)用DSP+CPLD控制模式是否能滿足市場(chǎng)需求，對(duì)智能控制系統(tǒng)的能力是否有理想中的提升。

控制系統(tǒng)包括各個(gè)信息（超聲波、激光、電流、溫度、壓力、流量、位移等）接收傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理、輸入和輸出、通訊等多個(gè)部分，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，功能驗(yàn)證部分需對(duì)控制系統(tǒng)部分進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中使用子函數(shù)模擬電流變化來(lái)代替掘進(jìn)機(jī)載荷的變化，其中傳感器模塊包括數(shù)據(jù)采集和處理的各個(gè)傳感器，加上通訊模塊，和數(shù)據(jù)的輸入輸出（控制策略）共同對(duì)掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行控制機(jī)能，功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)電流信號(hào)強(qiáng)弱和截割頻率快慢兩者之間的關(guān)系來(lái)判斷掘進(jìn)機(jī)是否處于正常工作狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)室搭建的掘進(jìn)機(jī)上開(kāi)展功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其中截割電機(jī)使用變頻器改變頻率來(lái)控制截割頭的方向和速度，通過(guò)變頻器就能采集截割電機(jī)的頻率。對(duì)控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，可以看出：當(dāng)電流信號(hào)高于理論電流上限時(shí)，頻率呈降低趨勢(shì)，即截割頭轉(zhuǎn)速變低；當(dāng)電流信號(hào)低于理論電流下限時(shí)，頻率呈上升趨勢(shì)，即截割頭轉(zhuǎn)速增大；當(dāng)電流信號(hào)在理論電流上下限度之間時(shí)，截割頭正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 輸入模擬電流與變頻器頻率變化數(shù)值

3 結(jié)論

1）以DSP+CPLD為核心的智能控制系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)能力，能勝任復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，操作便捷，可以滿足市面上智能控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的需求。

2）構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室掘進(jìn)機(jī)功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，調(diào)試了以DSP+CPLD作為智能控制系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)硬件和軟件功能，通過(guò)子函數(shù)模擬電流變化來(lái)代替掘進(jìn)機(jī)載荷的變化，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的電流信號(hào)和截割頻率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電流信號(hào)超過(guò)理論電流數(shù)值上限時(shí)，截割頭轉(zhuǎn)速變低；當(dāng)電流信號(hào)低于理論電流數(shù)值下限時(shí)，截割頭轉(zhuǎn)速增加；當(dāng)電流信號(hào)在理論電流上下限度之間時(shí)，截割頭正常運(yùn)轉(zhuǎn)。