王夢(mèng)麟， 付 濤， 張?zhí)熨n， 郭云飛， 岳海峰， 孫 剛， 宋學(xué)官

（1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116024；2.太原重工股份有限公司 礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原030024）

0 引言

大型礦用電鏟作為重型機(jī)械， 在露天采礦業(yè)具有十分廣泛的應(yīng)用，是礦產(chǎn)資源露天開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。但是直到目前為止，礦用電鏟設(shè)備一直處于人工操作階段[2-3]，導(dǎo)致礦產(chǎn)挖掘能耗較高，挖掘效率低，不同駕駛員之間對(duì)礦山環(huán)境及電鏟自身結(jié)構(gòu)的感知不同， 因而操作差異較大，導(dǎo)致電鏟的壽命較低。 而通過(guò)大量的研究表明，針對(duì)礦山的不同堆料形貌，能夠規(guī)劃出一條滿足較高滿斗率、最低單位能耗、較高效率的最優(yōu)挖掘軌跡，因此如何保證規(guī)劃軌跡的執(zhí)行至關(guān)重要[4]。

一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)礦用電鏟的自動(dòng)化控制方面已經(jīng)取得了一些成果。 徐工集團(tuán)研發(fā)出了一款無(wú)人駕駛室遙控挖掘機(jī)XE15R，對(duì)液壓、電力、機(jī)械等系統(tǒng)進(jìn)行操控，有效提高了挖掘的效率和可靠性[5]。 韓國(guó)的Seo 等開(kāi)發(fā)了一種具有電鏟熟練駕駛員經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)識(shí)別的現(xiàn)場(chǎng)堆料情況來(lái)挑選最優(yōu)挖掘方案規(guī)劃器的自動(dòng)挖掘系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人操作[6]。 澳大利亞的Dunbabin 和Corke搭建了智能電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)， 開(kāi)發(fā)了一種電鏟自動(dòng)循環(huán)挖掘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)挖掘，滿斗率監(jiān)測(cè)以及自動(dòng)裝載等功能[7]。 國(guó)內(nèi)外對(duì)電鏟自動(dòng)化與智能化的研究大多處于電氣系統(tǒng)改造及針對(duì)特定簡(jiǎn)單場(chǎng)景的小型樣機(jī)階段。 因此，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)實(shí)際礦山環(huán)境和真實(shí)電鏟模型的自動(dòng)控制框架， 并在由真實(shí)礦山物料搭建的環(huán)境中使用1∶7縮比例試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 礦用電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

大型礦用電鏟作為一種復(fù)雜的重型工程機(jī)械， 挖掘作業(yè)需要各個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)同運(yùn)作，為了能夠在真機(jī)WK-55電鏟上有更好的作業(yè)效果， 同時(shí)降低前期進(jìn)行智能化作業(yè)實(shí)驗(yàn)成本， 保證設(shè)備及人員的安全性， 提高實(shí)驗(yàn)的效率， 設(shè)計(jì)制造了礦用電鏟WK55 1∶7 的縮比例試驗(yàn)樣機(jī)，見(jiàn)圖1。

圖1 電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)控制系統(tǒng)采用“PLC+基礎(chǔ)變頻傳動(dòng)”的電氣控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖2，以PLC 為核心，連接4 個(gè)變頻器。 其中變頻器1 控制回轉(zhuǎn)電機(jī)， 采用轉(zhuǎn)矩控制方式，負(fù)責(zé)在電鏟挖掘完成后進(jìn)行電鏟回轉(zhuǎn)動(dòng)作，尋找合適的卸料位置。變頻器4 控制開(kāi)斗電機(jī)，也是采用轉(zhuǎn)矩控制方式，負(fù)責(zé)在鏟斗回轉(zhuǎn)到礦卡合適位置時(shí)進(jìn)行開(kāi)斗卸料。變頻器2 控制提升電機(jī)和右行走電機(jī)， 變頻器3 控制推壓電機(jī)和左行走電機(jī)， 左行走電機(jī)和右行走電機(jī)配合電機(jī)內(nèi)部自帶編碼器采用位置控制， 完成電鏟的長(zhǎng)距離行走，轉(zhuǎn)向以及電鏟與料堆相對(duì)位置的微調(diào)，提升電機(jī)和推壓電機(jī)采用的是速度控制方式， 負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)規(guī)劃的最優(yōu)挖掘軌跡， 并且提升電機(jī)和推壓電機(jī)都外接一個(gè)絕對(duì)值編碼器，測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速并反饋到PLC 中，用于比較規(guī)劃軌跡與執(zhí)行軌跡， 便于采取措施加強(qiáng)挖掘軌跡的跟蹤。 此外，由于推壓機(jī)構(gòu)的特殊性，當(dāng)推壓距離超過(guò)齒條的長(zhǎng)度時(shí)，則會(huì)造成斗桿的脫離齒條墜落，因此在推壓機(jī)構(gòu)利用編碼器測(cè)量到的位置信息設(shè)置前后限位來(lái)避免事故發(fā)生。

圖2 電鏟電氣控制系統(tǒng)

電鏟試驗(yàn)樣機(jī)的行走、挖掘、回轉(zhuǎn)、卸料等動(dòng)作由6個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)控制， 為此設(shè)計(jì)了一個(gè)以西門子1517PLC 為核心的電氣控制柜，見(jiàn)圖3。 圖中1 為西門子PLC 及其功能拓展模塊， 用于編寫(xiě)和執(zhí)行電機(jī)的各種控制程序，包括速度控制，轉(zhuǎn)矩控制，位置控制等，將電機(jī)控制指令以模擬量或者西門子控制報(bào)文的方式輸出，傳遞給變頻器， 并且可以采集變頻器和電機(jī)編碼器等反饋的信號(hào)。2 為變頻器控制單元， 用于接收PLC的電機(jī)控制指令， 調(diào)整電機(jī)控制參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制方式的切換， 并且能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，完成挖掘軌跡跟蹤。 3 為整流器模塊，把交流電用二極管電整成直流電。 4 為逆變器模塊，把直流電通過(guò)半導(dǎo)體、變壓器等元件轉(zhuǎn)變成交流電，負(fù)責(zé)給各個(gè)不同型號(hào)的電機(jī)供電。

圖3 電鏟電氣控制柜

2 上位機(jī)總體架構(gòu)

基于C++搭建了軟件控制系統(tǒng)， 所搭建的控制系統(tǒng)分為4 層結(jié)構(gòu)，自下而上依次是硬件層、驅(qū)動(dòng)層、任務(wù)層和交互層，架構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。 硬件層包括硬件控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要有智能控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、外部感知系統(tǒng)等；驅(qū)動(dòng)層包括硬件采集與軟件通信協(xié)議，主要有數(shù)據(jù)采集、IO 控制、設(shè)備監(jiān)控、接口通信等；任務(wù)層的任務(wù)是數(shù)據(jù)管理，主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、文件管理等；交互層的任務(wù)是人機(jī)交互控制，主要有參數(shù)配置、操作模式選擇，界面顯示等。

圖4 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

3 上位機(jī)軟件調(diào)試界面

為了更好地進(jìn)行礦用電鏟的自動(dòng)化調(diào)試工作， 用Qt跨平臺(tái)編寫(xiě)了上位機(jī)人機(jī)交互界面，見(jiàn)圖5。 完成電鏟挖掘流程分步調(diào)試功能， 主要包括操作模式選擇、 行走操作、點(diǎn)云識(shí)別處理、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)傳輸、一鍵挖掘、回轉(zhuǎn)復(fù)位等。

在分步調(diào)試界面中可以進(jìn)行電鏟本地模式和自動(dòng)模式選擇，如圖5 中①所示，選擇本地模式則是電鏟的手動(dòng)操作，由駕駛員使用原有操作桿來(lái)完成電鏟的挖掘過(guò)程，選擇自動(dòng)模式后， 可在②進(jìn)行電鏟挖掘模式或者行走模式的選擇，在進(jìn)行模式切換時(shí)需要先進(jìn)行抱閘，切換完成后再進(jìn)行松閘。 電鏟模式及電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)可以在③中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，便于調(diào)試者觀察。速度模式勾選決定著回轉(zhuǎn)時(shí)回轉(zhuǎn)電機(jī)的控制方式， 由于人工操作時(shí)轉(zhuǎn)矩控制能夠避免沖擊，能夠適當(dāng)微調(diào)轉(zhuǎn)過(guò)角度，但是在自動(dòng)模式下回轉(zhuǎn)過(guò)程是一次性完成， 對(duì)比轉(zhuǎn)矩控制方式與速度控制方式，規(guī)劃后的速度控制能夠使轉(zhuǎn)過(guò)的角度更加精確，沖擊也相對(duì)較小。④是軌跡規(guī)劃相關(guān)按鈕，激光雷達(dá)對(duì)電鏟狀態(tài)、點(diǎn)云信息進(jìn)行初始化讀取，上位機(jī)規(guī)劃出最優(yōu)挖掘軌跡，將軌跡傳輸?shù)较挛粰C(jī)PLC 中，并對(duì)PLC 發(fā)送挖掘執(zhí)行命令，完成挖掘操作，最后將PLC 采集到實(shí)際挖掘數(shù)據(jù)、電鏟姿態(tài)、電機(jī)狀態(tài)寫(xiě)入到文件中。 ⑤用來(lái)顯示軌跡狀態(tài)以及所規(guī)劃軌跡的性能指標(biāo)。 ⑥主要顯示礦產(chǎn)在整個(gè)挖掘流程中的姿態(tài)信息， 主要包括提升距離、 推壓距離、回轉(zhuǎn)角度及斗桿傾角。⑦主要是電鏟姿態(tài)調(diào)整的參數(shù)輸入，根據(jù)輸入的參數(shù)，根據(jù)正轉(zhuǎn)選項(xiàng)來(lái)選擇方向，點(diǎn)擊回轉(zhuǎn)按鈕，會(huì)規(guī)劃對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度數(shù)組，并傳遞給下位機(jī)同時(shí)向下位機(jī)傳遞回轉(zhuǎn)開(kāi)始命令，電鏟開(kāi)始回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)子線程“讀取回轉(zhuǎn)狀態(tài)”開(kāi)始讀取電鏟回轉(zhuǎn)完成狀態(tài)。而轉(zhuǎn)矩正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)矩矩模式下電鏟轉(zhuǎn)動(dòng)操作， 長(zhǎng)距離行走按鈕控制電鏟行走操作， 在這里只能進(jìn)行前進(jìn)或者后退。此外，急停按鈕按下會(huì)給推壓提升回轉(zhuǎn)電機(jī)的速度同時(shí)賦0， 使得設(shè)備運(yùn)動(dòng)停止， 給設(shè)備狀態(tài)賦值急停時(shí)，不能直接再次啟動(dòng)，點(diǎn)擊恢復(fù)按鈕后，電鏟狀態(tài)從急停態(tài)恢復(fù)至工作態(tài)，可以再次啟動(dòng)運(yùn)行。

圖5 分步調(diào)試界面

4 上下位機(jī)通信

在上位機(jī)開(kāi)發(fā)中，PLC 與上位機(jī)的穩(wěn)定通信是關(guān)鍵，上下位機(jī)通信主要用到了基于以太網(wǎng)的PLC 通信的開(kāi)源庫(kù)Snap7 與經(jīng)常應(yīng)用在不同主機(jī)之間的Socket 通信兩種方式，見(jiàn)圖6。

圖6 上下位機(jī)通信

Snap7 通信靈活性高，穩(wěn)定性好，通用性強(qiáng)，在Snap7通信中主要用到函數(shù)包括IP 通信連接、讀取DB 塊數(shù)據(jù)、寫(xiě)入DB 塊數(shù)據(jù)等，完成挖掘軌跡、停止、執(zhí)行等各類數(shù)據(jù)的交換。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，難免出現(xiàn)信號(hào)不穩(wěn)定甚至中斷的情況， 因此采用socket 通信方式來(lái)對(duì)通信質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 上位機(jī)會(huì)觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器通過(guò)socket 通信定時(shí)發(fā)送一系列通信診斷數(shù)據(jù)， 下位機(jī)會(huì)根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)接收的數(shù)據(jù)信息判別通信質(zhì)量并傳遞到上位機(jī)， 在人機(jī)交互界面通信質(zhì)量處進(jìn)行顯示， 若通信質(zhì)量較差時(shí)會(huì)重新進(jìn)行連接操作。

5 下位機(jī)控制及驗(yàn)證

在下位機(jī)搭建好PLC、變頻器、電機(jī)等硬件系統(tǒng)后，在PLC 中編寫(xiě)了下位機(jī)電機(jī)控制程序。 以挖掘程序?yàn)槔?，首先PLC 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)最優(yōu)挖掘軌跡速度數(shù)組和數(shù)組中數(shù)據(jù)的數(shù)量， 然后再收到挖掘開(kāi)始命令， 通過(guò)速度數(shù)組的下標(biāo)再配合接通延時(shí)器以一定的時(shí)間間隔讀取規(guī)劃的速度數(shù)據(jù)，通過(guò)生成0-10V 的模擬量，傳送給變頻器，進(jìn)而進(jìn)行控制。 通過(guò)在電鏟試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行挖掘?qū)嶒?yàn)測(cè)試可知，在下位機(jī)控制中，電鏟的行走和回轉(zhuǎn)控制受到外界環(huán)境因素影響較小， 而挖掘過(guò)程中電鏟由于挖掘模型的不確定性，實(shí)際工況條件惡劣，挖掘阻力較大，造成規(guī)劃軌跡與實(shí)際挖掘軌跡有較大偏差的問(wèn)題。

西門子S120 變頻器初次驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)需要將電機(jī)參數(shù)輸入到變頻器中進(jìn)行電機(jī)識(shí)別， 并建立新電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，加強(qiáng)對(duì)電機(jī)特性的控制，保證了電機(jī)的精確控制和安全運(yùn)行。另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)挖掘軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤控制，采用PID 控制算法，控制效果較好，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用范圍廣，能夠滿足要求。

PID 控制系統(tǒng)框架見(jiàn)圖7，通過(guò)改變控制參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)控制輸入的目的，控制的規(guī)律為

圖7 PID 系統(tǒng)框圖

PLC 通過(guò)讀取斗桿推壓電機(jī)絕對(duì)值編碼器和提升電機(jī)絕對(duì)值編碼器數(shù)值， 并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到推壓電機(jī)和提升電機(jī)的實(shí)際執(zhí)行轉(zhuǎn)速， 作為PID 控制的反饋，在變頻器內(nèi)部應(yīng)用PID 控制，可以根據(jù)需要選擇自整定方法確定最佳的PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)理想的調(diào)節(jié)控制，能夠滿足大多數(shù)系統(tǒng)要求。

通過(guò)電鏟樣機(jī)挖掘?qū)嶒?yàn)，見(jiàn)圖8，計(jì)算鏟斗中物料體積，得出實(shí)際挖掘的滿斗率約為90%，與規(guī)劃得到的滿斗率96.8%相比，誤差在10%以內(nèi)，考慮到在實(shí)際挖掘過(guò)程中塊狀物料會(huì)有部分溢出無(wú)法全部進(jìn)入鏟斗， 導(dǎo)致滿斗率偏低。通過(guò)規(guī)劃轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)比，見(jiàn)圖9，其中（a）和（b）是根據(jù)實(shí)際挖掘堆料面規(guī)劃出的最優(yōu)挖掘軌跡，挖掘物料面時(shí)實(shí)際執(zhí)行轉(zhuǎn)速幾乎能夠跟蹤規(guī)劃轉(zhuǎn)速，誤差在5%以內(nèi)，3～7s 時(shí)間段內(nèi)推壓電機(jī)轉(zhuǎn)速存在一定波動(dòng)， 因?yàn)殓P斗在切入料堆的過(guò)程中在斗桿伸長(zhǎng)的方向上挖掘阻力較大。 此外，無(wú)論是提升電機(jī)還是推壓電機(jī)在挖掘開(kāi)始與結(jié)束時(shí)刻存在一定誤差， 主要是考慮到人工操作時(shí)存在誤觸，在設(shè)計(jì)PLC 程序時(shí)增加了閾值保護(hù)功能，當(dāng)給予電機(jī)的指令速度小于50r/min 時(shí)，電機(jī)不執(zhí)行。

圖8 挖掘?qū)嶒?yàn)流程

圖9 挖掘?qū)嶒?yàn)結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了面向智能礦用電鏟的軟、硬件控制系統(tǒng)，搭建了以PLC+基礎(chǔ)變頻傳動(dòng)的電氣控制系統(tǒng)， 完成行走、挖掘、卸料、復(fù)位等基礎(chǔ)挖掘流程；建立了上下位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)了控制命令、 應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳遞以及通信監(jiān)測(cè)等功能；并且基于Qt 初步搭建了上位機(jī)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)換、參數(shù)輸入、分步調(diào)試、狀態(tài)顯示和急停恢復(fù)等功能；利用基于真實(shí)礦山物料搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和電鏟實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述功能進(jìn)行挖掘作業(yè)測(cè)試， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，縮比樣機(jī)可以完成電鏟整體挖掘流程， 軌跡跟蹤誤差小，滿斗率與規(guī)劃結(jié)果相近，為后續(xù)電鏟的無(wú)人化奠定基礎(chǔ)。