吳 東

(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)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(qiáng)，還存在冒頂片幫、沖擊地壓、瓦斯突出、底板突水等危險(xiǎn)，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(huán)境，提升安全生產(chǎn)能力，提高綜掘工作效率，根據(jù)綜掘設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)備間動(dòng)作邏輯、時(shí)序、聯(lián)動(dòng)關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、控制精度高的綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)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(jìn)機(jī)+錨桿鉆機(jī)掘進(jìn)、連續(xù)采集機(jī)組錨桿鉆機(jī)掘進(jìn)、掘錨機(jī)聯(lián)合機(jī)組掘進(jìn)3種模式為主，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了綜掘工作面機(jī)電智能控制系統(tǒng)，引入分層設(shè)計(jì)理念，以中央控制系統(tǒng)為核心，采用推理決策方法、錨掘一體自適應(yīng)、動(dòng)載荷識(shí)別等方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同控制；文獻(xiàn)[4]建立了綜掘設(shè)備姿態(tài)控制系統(tǒng)，并基于插值法和檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；文獻(xiàn)[5]研究了綜掘設(shè)備間無(wú)線通信信息傳送機(jī)理，以無(wú)線通信模式實(shí)現(xiàn)了綜掘設(shè)備間運(yùn)輸聯(lián)動(dòng)和行走聯(lián)動(dòng)，提高了綜掘掘進(jìn)效率。本文在分析綜掘工作面成套設(shè)備單機(jī)動(dòng)作、聯(lián)動(dòng)動(dòng)作的基礎(chǔ)上，以通用部分全局規(guī)劃方法(Generalized Partial Global Planning, GPGP )研究掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)間的協(xié)同控制方案，達(dá)到掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸交叉平行作業(yè)，提升綜掘工作面生產(chǎn)效率的目的。

1 成套設(shè)備簡(jiǎn)介

研究的綜掘工作面成套設(shè)備由掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)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(wǎng)和鋼帶、緊固錨桿、打錨索、破碎以及運(yùn)輸任務(wù)，示意圖見圖1. 掘錨機(jī)選用MB670型掘錨機(jī)，配置有4臺(tái)頂錨桿機(jī)，鉸接在底座上，以擴(kuò)大打頂錨桿的范圍；2臺(tái)側(cè)幫錨桿機(jī)安裝于工作平臺(tái)，可利用液壓系統(tǒng)控制并調(diào)整側(cè)幫錨桿的高度。該掘錨機(jī)一次行程為2.4 m，當(dāng)截割深度達(dá)2 m時(shí)，需進(jìn)行頂錨桿、側(cè)幫錨桿支護(hù)工作。錨運(yùn)破一體機(jī)為掘錨機(jī)的后配套裝置，由前端的對(duì)輥破碎機(jī)對(duì)煤料進(jìn)行擠壓破碎并經(jīng)皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)；錨運(yùn)破一體機(jī)根據(jù)掘錨機(jī)位置，利用履帶板實(shí)現(xiàn)行走動(dòng)作；錨運(yùn)破一體機(jī)設(shè)置有3臺(tái)頂錨桿液壓鉆機(jī)、2臺(tái)側(cè)幫錨桿液壓鉆機(jī)便于施工角錨桿。轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)為錨運(yùn)破一體機(jī)的后配套裝置，用于轉(zhuǎn)載運(yùn)輸破碎后的煤料。

圖1 綜掘工作面成套設(shè)備示意框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖見圖2，掘錨機(jī)控制子系統(tǒng)、錨運(yùn)破一體機(jī)控制子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)控制子系統(tǒng)以CAN總線通信模式將各自設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、絕對(duì)位置、故障狀態(tài)等信息傳送給綜掘成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)。綜掘成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行綜合分析、判斷，實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)的啟動(dòng)過程、工作跟機(jī)過程以及停機(jī)過程的協(xié)同控制。本文研究的綜采工作面成套設(shè)備啟動(dòng)過程需遵循轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)刮板輸送機(jī)、掘錨機(jī)刮板輸送機(jī)順序啟動(dòng)流程；確認(rèn)全部啟動(dòng)成功后，開始工作跟機(jī)過程。進(jìn)行工作跟機(jī)過程控制時(shí)，需周期性采集設(shè)備的狀態(tài)信息、相對(duì)位移、故障信息，確認(rèn)所有信息滿足要求后掘錨機(jī)才可開始截割工作。掘錨機(jī)掘進(jìn)一個(gè)工作循環(huán)后，協(xié)同控制掘錨機(jī)前移、錨運(yùn)破一體機(jī)前移、轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)前移并達(dá)到前移極限位置，同時(shí)錨運(yùn)破一體機(jī)牽引自移輸送機(jī)平移至系統(tǒng)指定位置。進(jìn)行停機(jī)過程控制時(shí)需遵循掘錨機(jī)刮板輸送機(jī)停止、錨運(yùn)破一體機(jī)刮板輸送機(jī)停止、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)停止流程，防止發(fā)生堆煤和煤料散落故障。

圖2 綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

為實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)的系統(tǒng)控制，將兩臺(tái)激光測(cè)距儀布置于掘錨機(jī)機(jī)身前后的中線處并于機(jī)身兩側(cè)距離一致；將一臺(tái)激光測(cè)距儀布置于掘錨機(jī)前部機(jī)身中線處；將一臺(tái)單軸傾角傳感器布置于掘錨機(jī)截割臂中央處，將一臺(tái)三軸傾角傳感器布置于掘錨機(jī)機(jī)身中央處。激光測(cè)距儀選用的型號(hào)為RLM-S30，測(cè)量精度為±1.5 mm，響應(yīng)實(shí)踐≤0.1 s，支持CAN總線通信，最遠(yuǎn)傳輸距離為30 m，防護(hù)等級(jí)為IP7. 錨運(yùn)破一體機(jī)機(jī)身分布一個(gè)傾角傳感器、4個(gè)激光測(cè)距儀。其中傾角傳感器安裝于錨運(yùn)破一體機(jī)機(jī)身中央處；機(jī)身前端、后端以及兩側(cè)分別布置一個(gè)激光測(cè)距儀。單軸傾角傳感器選用的型號(hào)為ZCT1360J-LBS-BUS-77，三軸傾角傳感器選用的型號(hào)為ZCT330 M-LXS-140，測(cè)量范圍為0～360°，分辨力為0.1°，精度為±0.5°，響應(yīng)時(shí)間≤0.1 s；上述傳感器滿足掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)使用要求。轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)機(jī)身布置有速度、打滑、煙霧、跑偏等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)故障狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計(jì)

綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖見圖3. 中央控制單元由STM32L072CZ芯片微控制器最小單元、無(wú)線收發(fā)模塊組成。設(shè)計(jì)協(xié)同控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊鏈路冗余結(jié)構(gòu)，即可通過無(wú)線、有線模式完成設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸，具體為：無(wú)線收發(fā)模塊以ZigBee無(wú)線通信模實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；PLC控制器的CAN1、CAN2以及CAN通訊接口分別與掘錨機(jī)控制子系統(tǒng)、錨運(yùn)破一體機(jī)控制子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)控制子系統(tǒng)完成狀態(tài)信息、傳感器數(shù)據(jù)、控制信號(hào)的傳輸；對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析、判斷、計(jì)算后實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同聯(lián)動(dòng)；設(shè)計(jì)的協(xié)同控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可觸發(fā)報(bào)警單元進(jìn)行聲光語(yǔ)音報(bào)警并將故障信息顯示于顯示單元；存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行過程中的故障信息、核心參數(shù)、過程指令，用于顯示單元查看設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。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(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至顯示單元，完成設(shè)備運(yùn)行過程、協(xié)同控制指令的實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)可通過該顯示單元完成設(shè)備的起?？刂坪蛥?shù)設(shè)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(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于Keil ARM軟件平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，具體軟件流程見圖4. 協(xié)同控制系統(tǒng)對(duì)采集到的掘錨機(jī)控制子系統(tǒng)、錨運(yùn)破一體機(jī)控制子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載皮帶控制子系統(tǒng)所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析、計(jì)算并完成相應(yīng)設(shè)備的單機(jī)控制、聯(lián)動(dòng)控制等過程。

圖4 綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制軟件流程圖

綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì)掘錨機(jī)與錨運(yùn)破一體機(jī)協(xié)同控制、錨運(yùn)破一體機(jī)與轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)協(xié)同控制進(jìn)行分析。上述3設(shè)備協(xié)同控制任務(wù)集合見表1，在協(xié)同控制時(shí)，按照表1所述任務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

將通用部分全局規(guī)劃(Generalized Partial Global Planning, GPGP)方法引入綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)中，掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)各自任務(wù)執(zhí)行過程中，以通信模式實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間信息共享，根據(jù)各自任務(wù)分配、約束關(guān)系、時(shí)序關(guān)系以及促進(jìn)關(guān)系，以任務(wù)視圖形式進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)由整體到單機(jī)設(shè)備的任務(wù)協(xié)調(diào)分配，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備的任務(wù)協(xié)調(diào)控制[6]. 在進(jìn)行GPGP協(xié)同控制時(shí)，采用非強(qiáng)制性關(guān)系處理策略(即任務(wù)時(shí)序關(guān)系、任務(wù)激勵(lì)關(guān)系)，并以完成綜掘工作面掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸任務(wù)，滿足綜掘工作面效益考核標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。

綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制相關(guān)元素定義為{E,S,M,G}，其中E為設(shè)備分布狀態(tài)；S為設(shè)備集合狀態(tài)；M為設(shè)備任務(wù)集合狀態(tài)，如表1所示；G為設(shè)備間的約束集合。假設(shè)由掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)組成的S={S1,S2,S3}執(zhí)行多任務(wù)M={M1,M2,M3},該數(shù)學(xué)模型可描述為：

表1 綜掘工作面成套設(shè)備控制任務(wù)描述表

(1)

其中，Xi,j,k為0、1決策變量，Oi,j,k為對(duì)應(yīng)設(shè)備執(zhí)行任務(wù)時(shí)的效能，并有式(2)約束關(guān)系：

(2)

由式(2)可知，根據(jù)設(shè)計(jì)的掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖，可保證在確定的時(shí)間點(diǎn)、空間點(diǎn)，只有一個(gè)設(shè)備在執(zhí)行分配的任務(wù)，杜絕了多設(shè)備間的干涉問題。

4.1 掘錨機(jī)協(xié)同控制方案

圖5 掘錨機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖

4.2 錨運(yùn)破一體機(jī)協(xié)同控制方案

錨運(yùn)破一體機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖見圖6，在完成掘錨機(jī)的位姿調(diào)控后才可進(jìn)行自身單設(shè)備任務(wù)控制；且完成掘錨機(jī)星型集裝臂動(dòng)作后才可進(jìn)行皮帶速度控制。

圖6 錨運(yùn)破一體機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖

4.3 轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)協(xié)同控制方案

轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖見圖7，以完成掘錨機(jī)位姿調(diào)控、錨運(yùn)破一體機(jī)位姿調(diào)控為前提，依次完成皮帶延伸控制和皮帶速度控制。

圖7 轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)協(xié)同控制任務(wù)視圖

5 結(jié)束語(yǔ)

以綜掘工作面掘錨機(jī)、錨運(yùn)破一體機(jī)、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)組成的成套設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于GPGP方法的綜掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制系統(tǒng)方案，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并達(dá)到掘、支、運(yùn)交叉平行作業(yè)的目的。該方案以CAN、無(wú)線通信模式實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間信息共享，由協(xié)同控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的任務(wù)協(xié)同分配和協(xié)同控制，降低了設(shè)備堆煤等故障發(fā)生率，提升了設(shè)備運(yùn)行效率，為實(shí)現(xiàn)綜掘工作面的全自動(dòng)化、少人化設(shè)計(jì)提供參考。