掘進機智能控制系統及功能驗證

劉錦福

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

掘進機的控制模式早期都是間接控制，隨著科技智能化的發展，逐步實現了自動化和智能化控制。智能化控制系統是掘進機快速、準確和高效作業的必備條件。國內外專家在掘進機智能控制系統方面都有重要的研究發現。從國外研究上看，Baiden等人通過用計算機模擬人的視覺功能來控制掘進機。美國卡內基大學研發了一款可以實現掘進機自動定向的智能控制系統。Barrett等采用雙目視覺和慣性導航聯合的方式來達到對掘進機精確定位的目的。從國內研究上看，姜鶴等利用單片機控制系統實現了掘進機的精準切割和故障預警。王曉軍通過PLC控制器實現遠程操控掘進機。但PLC控制器存在電路復雜，結構松散，難以處理復雜數據，加上遠程通信效果差，對液壓系統要求高等諸多問題。為解決這些問題，王鑫等通過采用PLVC控制器對掘進機控制系統進行了改進和提升。劉國鵬等通過Inter Control控制器實現了通信上的穩定。田劫等通過PPC實現掘進機的智能控制。簡而言之，老式的單片機雖然結構簡單，但無法勝任復雜工作；PLC控制器有一定改進但仍存在諸多問題；PLVC、Inter Control、PCC控制器雖然可以實現復雜算法和穩定通信，但仍無法滿足智能控制系統對控制器精準度調節等需求。面對這些問題，宋棟等用DSP設計了一個在線監測系統實現對掘進機的實時監測。榮航等通過DSP來實現掘進機截割頭的自適應控制[1-3]。但是DSP存在邏輯控制能力弱，對于邏輯復雜的控制系統難以駕馭。針對以上問題，本研究采用DSP+CPLD的模式設計掘進機智能控制系統并進行功能驗證，彌補了傳統控制器的不足，實現了掘進機的自動化控制和精準作業。

1 智能控制系統的設計

1.1 設計方案

通過對國內外掘進機研究成果優缺點的分析，本文提出掘進機智能控制系統的設計發案。根據國內外研究現狀和總體的發展趨勢，進一步明確掘進機智能控制系統的市場需求，確定關鍵技術的指標，得到最終的整體設計方案。控制系統包括硬件和軟件兩方面，通過智能控制理論指導軟件開發，最終完成整體設計，模塊調試和實驗驗證。

1.2 硬件設計

與傳統控制器相比，DSP控制器具有集成度高和運行快的巨大優勢，但DSP邏輯控制能力弱，大大削弱了它的競爭力，導致單一的DSP控制器體現不出絕對的優勢。而CPLD恰好彌補了這一缺陷，CPLD可編輯復雜的邏輯運算，容量大，靈活性和可操作性強，對于設計錯誤的電路板，無需重新連線或制板，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，進行數據的采集、處理和存儲，不僅能降低編程難度，還能充分發揮控制器的功能[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、存儲模塊和通信接口及抗干擾裝置，各個部分缺一不可，并且硬件設計完成后還需要進行硬件的調試，排除硬件本身問題，滿足智能控制系統的需求，達到預期目標。

1.3 軟件設計

軟件功能模塊主要包括數據采集和處理功能、輸入和輸出功能以及通訊功能三大模塊。為滿足控制系統的需求，首要任務是實現對激光測距、超聲波等數字量傳感器的數據采集，同時根據模擬量傳感器的數據得到掘進機的狀態相關信息，進一步處理收集到的信息，提高信息的可靠度和精確度。

下頁圖1表明了在智能控制系統中數字量傳感器的采集和處理流程。首先DSP的SCIB模塊向接受數組發送指令，接受數組通過判斷進行CRC或BBC校驗，來判斷數據的正確性并進行解析，最終將解析的數據存入相應的傳感器數組中[6-7]。

圖1 數字量采集和處理流程

輸入和輸出模塊由CPLD來實現，采用Quartus II編程軟件進行輸入和輸出程序的設計，運用CPLD邏輯運算功能強大的優點，更加便捷地控制各個系統模塊的設計。

DSP和CPLD之間的通訊連接并不是直接的，而是由XINTF接口進行連接，來完成兩者之間信息交互傳遞。上下機位之間的通訊則由CAN總線來完成，上下機位之間采用中斷命令來實現信息的傳遞。

首先系統初始化后，繼而CAN總線初始化，當CAN接收數據后，通過復位RMP標志復位中斷標志，再經過一系列數據解析子函數，來判斷是否發送數據，若不發送數據，將進入一個接收數據并解析的循環，若發送數據，則會將發送請求置位，并開始發送數據，發送完成后，復位發送成功標志位，并給郵箱寫數據準備下次發送。

2 功能驗證實驗

在硬件和軟件設計完成后，我們還需要對該智能控制系統進行功能驗證，考察運用DSP+CPLD控制模式是否能滿足市場需求，對智能控制系統的能力是否有理想中的提升。

控制系統包括各個信息（超聲波、激光、電流、溫度、壓力、流量、位移等）接收傳感器、數據采集和處理、輸入和輸出、通訊等多個部分，由于實驗室條件有限，功能驗證部分需對控制系統部分進行驗證實驗。在實驗中使用子函數模擬電流變化來代替掘進機載荷的變化，其中傳感器模塊包括數據采集和處理的各個傳感器，加上通訊模塊，和數據的輸入輸出（控制策略）共同對掘進機執行控制機能，功能驗證實驗主要是通過電流信號強弱和截割頻率快慢兩者之間的關系來判斷掘進機是否處于正常工作狀態。

在實驗室搭建的掘進機上開展功能驗證實驗，其中截割電機使用變頻器改變頻率來控制截割頭的方向和速度，通過變頻器就能采集截割電機的頻率。對控制系統功能驗證實驗結果如圖2所示，可以看出：當電流信號高于理論電流上限時，頻率呈降低趨勢，即截割頭轉速變低；當電流信號低于理論電流下限時，頻率呈上升趨勢，即截割頭轉速增大；當電流信號在理論電流上下限度之間時，截割頭正常運轉。

圖2 輸入模擬電流與變頻器頻率變化數值

3 結論

1）以DSP+CPLD為核心的智能控制系統，具有強大的數據收集、處理和存儲能力，能勝任復雜的邏輯運算，操作便捷，可以滿足市面上智能控制系統對掘進機的需求。

2）構建了實驗室掘進機功能驗證實驗模式，調試了以DSP+CPLD作為智能控制系統的掘進機硬件和軟件功能，通過子函數模擬電流變化來代替掘進機載荷的變化，對掘進機的電流信號和截割頻率進行了實驗。當電流信號超過理論電流數值上限時，截割頭轉速變低；當電流信號低于理論電流數值下限時，截割頭轉速增加；當電流信號在理論電流上下限度之間時，截割頭正常運轉。