劉 偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)的核心設(shè)備，其掘進(jìn)精度和可靠性直接決定了井下巷道掘進(jìn)的效率和巷道成型質(zhì)量。目前掘進(jìn)機(jī)在巷道掘進(jìn)作業(yè)中主要依靠人工控制，受井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、粉塵濃度大等因素影響，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整反應(yīng)速度慢、姿態(tài)調(diào)整精確性差，使巷道的成型質(zhì)量受到了較大的影響，嚴(yán)重影響了井下巷道掘進(jìn)效率和可靠性。

隨著各類傳感器精度及閉環(huán)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)安全監(jiān)測及位姿控制系統(tǒng)，利用多類型傳感器實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)位置和姿態(tài)的精確監(jiān)測，再結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 閉環(huán)控制理論，實現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的動態(tài)監(jiān)測和調(diào)整。根據(jù)實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)的位姿調(diào)控精度提高89.4%，調(diào)節(jié)時間縮短88.2%，極大地提升了掘進(jìn)機(jī)的調(diào)節(jié)控制精度和可靠性。

1 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)在井下掘進(jìn)作業(yè)過程中，影響其掘進(jìn)姿態(tài)的核心包括搖臂的角度、位移、截割機(jī)構(gòu)油壓等，對掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)監(jiān)測的主要目的是將截割姿態(tài)和理論控制姿態(tài)對比，獲取截割姿態(tài)偏差量，然后由系統(tǒng)自動將偏差量轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)控制信號傳輸給截割控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對掘進(jìn)姿態(tài)的靈活調(diào)整。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的截割控制要求，本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該監(jiān)測控制系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、視頻及傳感器監(jiān)測模塊、聲光報警系統(tǒng)等，系統(tǒng)采用了模塊化組合結(jié)構(gòu)，各個模塊之間采用了高速數(shù)據(jù)傳輸接口，能夠快速地進(jìn)行拓展，滿足多樣化的監(jiān)測需求。

圖1 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

地面監(jiān)控中心主要包括監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控顯示屏，主要是顯示井下掘進(jìn)機(jī)運行姿態(tài)監(jiān)測結(jié)果，出現(xiàn)異常后能夠快速顯示故障位置和故障初步原因，同時能夠通過監(jiān)控主機(jī)發(fā)出調(diào)控信號，滿足對掘進(jìn)機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整的需求。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要用于保證監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各類傳感器監(jiān)測信號及視頻監(jiān)測信號的快速、安全傳輸，采用了CAN 總線+以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，在井下單元部分以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸為核心，在地面部分則以CAN 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)為核心，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和抗干擾性。

視頻及傳感器監(jiān)測模塊，主要用于對掘進(jìn)機(jī)運行過程中的搖臂傾角、位移等進(jìn)行實時監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果傳輸給地面控制中心，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。

聲光報警系統(tǒng)主要是當(dāng)監(jiān)測到掘進(jìn)機(jī)運行姿態(tài)異常時及時進(jìn)行報警，避免出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割偏差過大影響掘進(jìn)安全的情況。

2 掘進(jìn)機(jī)位姿控制系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)獲取掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)信息后，根據(jù)控制中心的分析，獲取掘進(jìn)機(jī)位姿偏差信號，并將偏差信號傳輸給掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制器，控制器對調(diào)節(jié)信號進(jìn)行處理后再經(jīng)過放大器進(jìn)行數(shù)字信號的放大，然后將控制信號傳輸給電磁比例閥，控制電磁比例閥的開度及調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的靈活調(diào)節(jié)控制，該掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[2]。

圖2 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于掘進(jìn)機(jī)在運行過程中同時接收到的數(shù)據(jù)信息量大，而且各類數(shù)據(jù)信息多呈現(xiàn)不規(guī)律分布，因此傳統(tǒng)的線性邏輯評估方案難以滿足對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)整控制信號分析的需求，因此在對多種姿態(tài)信息調(diào)控邏輯進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 控制方案[3]，其整體控制邏輯如圖3 所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 控制結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，該新型控制系統(tǒng)中，r（k）表示系統(tǒng)的監(jiān)測輸入信號，e（k）表示系統(tǒng)的分析調(diào)節(jié)信號，y（k）表示系統(tǒng)的調(diào)節(jié)輸出信號，kp、ki、kd分別表示比例、積分、微分控制函數(shù)。通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 控制器對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次分析，從而保證了對掘進(jìn)機(jī)工作過程中姿態(tài)調(diào)整的精確性。系統(tǒng)采用了閉環(huán)調(diào)節(jié)控制邏輯，對掘進(jìn)機(jī)的位姿調(diào)節(jié)狀況進(jìn)行實時對比分析，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)位姿狀態(tài)的精確監(jiān)測和調(diào)整，滿足掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中調(diào)控精確性的需求。

3 系統(tǒng)硬件及通信結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于煤礦井下地質(zhì)條件相對復(fù)雜，采煤機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，因此系統(tǒng)所使用的各個硬件結(jié)構(gòu)在滿足調(diào)控精度需求的情況下應(yīng)該著力提升其工作的可靠性、擴(kuò)展性及使用的性價比。在對多種通信控制系統(tǒng)進(jìn)行驗證的基礎(chǔ)上，最終確定系統(tǒng)的控制核心可采用SI-PLUS S7-300 型PLC 控制器[4]，通信模塊采用了CP340-RS485 數(shù)據(jù)通信模塊[5]。系統(tǒng)工作時的各類數(shù)據(jù)信息均來自于各類傳感器。為了提高對各類數(shù)據(jù)信息的分析準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了以模擬量輸入模塊為核心的傳感器設(shè)備，在工作時能夠?qū)⒏黝悅鞲衅鞯哪M信號轉(zhuǎn)換為可以準(zhǔn)確傳輸?shù)碾娖叫盘枴?/p>

在該掘進(jìn)機(jī)安全監(jiān)測及位姿控制系統(tǒng)內(nèi)，需要滿足對掘進(jìn)機(jī)位姿狀態(tài)的實時監(jiān)測，因此對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性要求極高。為了保證數(shù)據(jù)通信的安全性，在控制中心的微處理器和煤礦井下監(jiān)控分站之間采用了基于CAN 的雙向數(shù)據(jù)傳輸模式，PLC 模塊上無直接的CAN 數(shù)據(jù)接口，因此需要采用RS485 通信模塊對CAN 數(shù)據(jù)線路進(jìn)行轉(zhuǎn)接，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信線路構(gòu)造如圖4 所示[6]。

圖4 數(shù)據(jù)通信線路結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用情況分析

為了對該掘進(jìn)機(jī)安全監(jiān)測及位姿控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以EBZ200H 掘進(jìn)機(jī)為研究對象[7]，對其控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的實時監(jiān)測和調(diào)整，并對掘進(jìn)機(jī)工作過程中的位姿調(diào)控情況進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)實際應(yīng)用表明，采用新的控制系統(tǒng)后，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)的位姿調(diào)控精度由最初的±80 mm，提高到目前的±8.48 mm，比優(yōu)化前提升了89.45%，將系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)時間由最初的7.2 s 縮短到了目前的0.835 s，比優(yōu)化前降低了88.2%，顯著地提升了井下掘進(jìn)機(jī)在工作時的穩(wěn)定性和可靠性。該掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場如圖5 所示。

圖5 掘進(jìn)機(jī)截割監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場示意圖

5 結(jié)論

為了解決掘進(jìn)機(jī)在巷道掘進(jìn)過程中位姿調(diào)整精度差的不足，提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)安全監(jiān)測及位姿控制系統(tǒng)，通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 控制的方案實現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)截割姿態(tài)的精確調(diào)控，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）監(jiān)測控制系統(tǒng)各個模塊之間采用了高速數(shù)據(jù)傳輸接口，能夠快速地進(jìn)行拓展，滿足多樣化的監(jiān)測需求。

2）基于非線性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+PID 控制方案采用了閉環(huán)調(diào)節(jié)控制邏輯，實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)位姿狀態(tài)的精確監(jiān)測和調(diào)整，滿足掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中調(diào)控精確性的需求。

3）該系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)的位姿調(diào)控精度提高89.4%，調(diào)節(jié)時間縮短88.2%，極大地提升了掘進(jìn)機(jī)井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的精度和效率。