掘進機自動化綜采截割控制系統(tǒng)的應用研究

李佳琪

（晉煤集團金鼎公司， 山西 晉城 048000）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的設備，隨著煤炭掘進作業(yè)技術的不斷發(fā)展，煤礦井下煤炭的綜采效率得到了大幅的提高，給井下巷道掘進作業(yè)帶來了

極大的壓力。由于井下地質(zhì)條件較為復雜，而且掘進機自動化程度相對較低，通常采用人工控制進行掘進作業(yè)的方案，雖然具有較高的控制靈活性但也存在著人工工作量大、效率低、截割質(zhì)量差的缺陷，而且極易出現(xiàn)掘進機調(diào)整失誤而造成的截割機構損壞，給煤礦井下的掘進作業(yè)帶來了嚴重的隱患[1]。為了提升井下掘進作業(yè)的自動化程度，提升掘進作業(yè)質(zhì)量和經(jīng)濟性，一種新的掘進機自動化綜采截割控制系統(tǒng)被推廣應用。

1 掘進機自動化綜采截割控制系統(tǒng)

根據(jù)煤礦井下掘進機截割作業(yè)流程和無人化綜采作業(yè)需求，所提出的掘進機自動化綜采截割控制系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。該控制系統(tǒng)主要包括了人機交互模塊、中央計算處理模塊和閉環(huán)跟蹤控制模塊，人機交互模塊主要用于輸入截割控制路徑、截割控制要求，對實際截割路徑和理論截割路徑的偏差量進行監(jiān)測，必要時進行人工控制截割作業(yè)。中央計算處理模塊主要是PLC 控制模塊，該控制模塊主要用于對截割控制軌跡進行計算和調(diào)整，對掘進機位置姿態(tài)進行監(jiān)控和調(diào)整，閉環(huán)跟蹤控制模塊主要用于對掘進作業(yè)過程中的掘進機進給軌跡、截割軌跡、截割安全性等進行監(jiān)控，對實際截割路徑和理論截割路徑之間的差異性進行監(jiān)測和調(diào)整，確保掘進機截割作業(yè)時的精確性和完整性。

圖1 掘進機自動化綜采截割控制系統(tǒng)結構示意圖

2 傳感器安裝位置及閉環(huán)姿態(tài)調(diào)整

掘進機自動化截割控制系統(tǒng)能夠正常運行的基礎是系統(tǒng)對掘進機位置、姿態(tài)和截割作業(yè)狀態(tài)的判斷準確性[2]，因此各傳感器的安裝位置至關重要，其直接決定了對掘進機位置狀態(tài)監(jiān)測結果的準確性和可靠性。經(jīng)過大量的實驗驗證，對掘進機截割作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)測需要傾角傳感器和角位移傳感器。其中，傾角傳感器主要設置在掘進機旋轉機構的內(nèi)部，實現(xiàn)對掘進機搖臂在水平方向和豎直方向角度的監(jiān)測；角位移傳感器主要設置在執(zhí)行油缸的伸縮端，用于對截割結構的截割角度進行測量，在掘進機的機身上設置雙軸傾角測量傳感器對機身截割過程中的俯仰角情況進行測量，各傳感器在掘進機上的安裝位置如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝位置結構示意圖

傳感器安裝完成后將各傳感器利用CAN 數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)骄蜻M機自動化綜采截割控制系統(tǒng)的PLC控制中心，控制中心根據(jù)掘進機設定的截割路徑，輸出調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)對回轉油缸、豎直油缸、伸縮油缸的行程和回轉角度的調(diào)節(jié)。設置在掘進機上的各類傳感器對實際調(diào)整的回轉角、執(zhí)行油缸伸縮量等進行監(jiān)控，將實際調(diào)整量、截割作業(yè)過程中的實際軌跡等和理論調(diào)整量、理論控制軌跡等在PLC 控制中心進行對比，輸出各個調(diào)整量的補充調(diào)整結果，控制各類執(zhí)行機構進行進一步的調(diào)整，從而確保截割作業(yè)過程中的實際接軌跡和理論截割軌跡的一致性，滿足自動化截割控制需求，該閉環(huán)姿態(tài)調(diào)整邏輯如圖3 所示[3]。

圖3 掘進機截割姿態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)結構示意圖

3 魯棒及神經(jīng)網(wǎng)絡聯(lián)合控制

由于煤礦井下地質(zhì)條件復雜，掘進機掘進作業(yè)過程中的控制信號會出現(xiàn)較大的波動而且呈現(xiàn)典型的非線性變化，因此傳統(tǒng)控制模式下掘進機對位置的調(diào)整速度、精度等均無法滿足自動截割作業(yè)需求。結合各種控制模式的優(yōu)缺點，本文提出了魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡控制模式[4]，該控制模式適應于具有模糊邊界控制條件，其優(yōu)點是可以采用一個對不確定邊界條件進行模糊定義的控制器，從而實現(xiàn)對分析不確定性的影響，同時該系統(tǒng)中增加了神經(jīng)網(wǎng)絡控制模式，能夠利用分析時的神經(jīng)網(wǎng)絡逼近誤差來實現(xiàn)對外界干擾信號的屏蔽，進一步提高系統(tǒng)的分析誤差，滿足自動截割控制需求，該魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡控制結構如圖4 所示。

根據(jù)實際驗證結果，采用魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡控制模式下，掘進機的自動截割控制精度可達13mm，完全能夠滿足井下自動截割的控制需求，對提升井下掘進作業(yè)的自動化程度、實現(xiàn)井下無人掘進作業(yè)奠定了基礎。

圖4 魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡控制結構示意圖

4 結論

1）該自動化綜采截割控制系統(tǒng)主要包括了人機交互模塊、中央計算處理模塊和閉環(huán)跟蹤控制模塊，能夠實現(xiàn)對掘進作業(yè)路徑和軌跡的自動調(diào)整控制，滿足精確截割控制需求；

2）掘進機截割姿態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制模式能夠實現(xiàn)對截割作業(yè)過程中各調(diào)整數(shù)據(jù)的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，確保姿態(tài)調(diào)整的快速性和精確性；

3）魯棒及神經(jīng)網(wǎng)絡控制能夠確保掘進機自動截割控制精度在13mm 以下，滿足井下自動截割控制的精度要求。