掘進機安全監測及位姿控制系統的優化研究

劉 偉

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心設備，其掘進精度和可靠性直接決定了井下巷道掘進的效率和巷道成型質量。目前掘進機在巷道掘進作業中主要依靠人工控制，受井下地質環境復雜、粉塵濃度大等因素影響，掘進機的掘進姿態調整反應速度慢、姿態調整精確性差，使巷道的成型質量受到了較大的影響，嚴重影響了井下巷道掘進效率和可靠性。

隨著各類傳感器精度及閉環調控技術的發展，本文提出了一種新的掘進機安全監測及位姿控制系統，利用多類型傳感器實現對掘進機掘進位置和姿態的精確監測，再結合模糊神經網絡+PID 閉環控制理論，實現了對掘進機掘進姿態的動態監測和調整。根據實際應用表明，該系統能夠將掘進機的位姿調控精度提高89.4%，調節時間縮短88.2%，極大地提升了掘進機的調節控制精度和可靠性。

1 掘進機姿態監測系統

掘進機在井下掘進作業過程中，影響其掘進姿態的核心包括搖臂的角度、位移、截割機構油壓等，對掘進機截割姿態監測的主要目的是將截割姿態和理論控制姿態對比，獲取截割姿態偏差量，然后由系統自動將偏差量轉換為調節控制信號傳輸給截割控制系統，實現對掘進姿態的靈活調整。結合掘進機的截割控制要求，本文提出了一種新的掘進機掘進姿態監測系統，其結構如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該監測控制系統主要包括地面監控中心、數據傳輸網絡、視頻及傳感器監測模塊、聲光報警系統等，系統采用了模塊化組合結構，各個模塊之間采用了高速數據傳輸接口，能夠快速地進行拓展，滿足多樣化的監測需求。

圖1 掘進機掘進姿態監測系統結構示意圖

地面監控中心主要包括監控主機和監控顯示屏，主要是顯示井下掘進機運行姿態監測結果，出現異常后能夠快速顯示故障位置和故障初步原因，同時能夠通過監控主機發出調控信號，滿足對掘進機運行狀態進行調整的需求。

數據傳輸網絡，主要用于保證監測系統內各類傳感器監測信號及視頻監測信號的快速、安全傳輸，采用了CAN 總線+以太網的數據傳輸結構，在井下單元部分以以太網數據傳輸為核心，在地面部分則以CAN 數據總線結構為核心，提高數據傳輸效率和抗干擾性。

視頻及傳感器監測模塊，主要用于對掘進機運行過程中的搖臂傾角、位移等進行實時監測，將監測結果傳輸給地面控制中心，實現對掘進機運行狀態的動態監測。

聲光報警系統主要是當監測到掘進機運行姿態異常時及時進行報警，避免出現掘進機截割偏差過大影響掘進安全的情況。

2 掘進機位姿控制系統

掘進機監測系統獲取掘進機的工作狀態信息后，根據控制中心的分析，獲取掘進機位姿偏差信號，并將偏差信號傳輸給掘進機姿態調節控制器，控制器對調節信號進行處理后再經過放大器進行數字信號的放大，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節速度，進而實現對掘進機姿態的靈活調節控制，該掘進機姿態調節控制系統整體結構如圖2 所示[2]。

圖2 掘進機姿態調節控制系統結構示意圖

由于掘進機在運行過程中同時接收到的數據信息量大，而且各類數據信息多呈現不規律分布，因此傳統的線性邏輯評估方案難以滿足對掘進機姿態調整控制信號分析的需求，因此在對多種姿態信息調控邏輯進行分析的基礎上，提出了一種基于非線性的神經網絡+PID 控制方案[3]，其整體控制邏輯如圖3 所示。

圖3 神經網絡+PID 控制結構示意圖

由圖3 可知，該新型控制系統中，r（k）表示系統的監測輸入信號，e（k）表示系統的分析調節信號，y（k）表示系統的調節輸出信號，kp、ki、kd分別表示比例、積分、微分控制函數。通過模糊神經網絡+PID 控制器對數據信息進行多次分析，從而保證了對掘進機工作過程中姿態調整的精確性。系統采用了閉環調節控制邏輯，對掘進機的位姿調節狀況進行實時對比分析，實現對掘進機位姿狀態的精確監測和調整，滿足掘進機在掘進作業過程中調控精確性的需求。

3 系統硬件及通信結構設計

由于煤礦井下地質條件相對復雜，采煤機的工作環境較為惡劣，因此系統所使用的各個硬件結構在滿足調控精度需求的情況下應該著力提升其工作的可靠性、擴展性及使用的性價比。在對多種通信控制系統進行驗證的基礎上，最終確定系統的控制核心可采用SI-PLUS S7-300 型PLC 控制器[4]，通信模塊采用了CP340-RS485 數據通信模塊[5]。系統工作時的各類數據信息均來自于各類傳感器。為了提高對各類數據信息的分析準確性，系統采用了以模擬量輸入模塊為核心的傳感器設備，在工作時能夠將各類傳感器的模擬信號轉換為可以準確傳輸的電平信號。

在該掘進機安全監測及位姿控制系統內，需要滿足對掘進機位姿狀態的實時監測，因此對數據傳輸系統的傳輸穩定性要求極高。為了保證數據通信的安全性，在控制中心的微處理器和煤礦井下監控分站之間采用了基于CAN 的雙向數據傳輸模式，PLC 模塊上無直接的CAN 數據接口，因此需要采用RS485 通信模塊對CAN 數據線路進行轉接，整個系統的數據通信線路構造如圖4 所示[6]。

圖4 數據通信線路結構示意圖

4 應用情況分析

為了對該掘進機安全監測及位姿控制系統的實際應用情況進行分析，以EBZ200H 掘進機為研究對象[7]，對其控制系統進行智能化改造，實現對掘進機姿態的實時監測和調整，并對掘進機工作過程中的位姿調控情況進行監測。根據實際應用表明，采用新的控制系統后，能夠將掘進機的位姿調控精度由最初的±80 mm，提高到目前的±8.48 mm，比優化前提升了89.45%，將系統的反饋調節時間由最初的7.2 s 縮短到了目前的0.835 s，比優化前降低了88.2%，顯著地提升了井下掘進機在工作時的穩定性和可靠性。該掘進機監測控制系統調試現場如圖5 所示。

圖5 掘進機截割監測系統調試現場示意圖

5 結論

為了解決掘進機在巷道掘進過程中位姿調整精度差的不足，提出了一種新的掘進機安全監測及位姿控制系統，通過模糊神經網絡+PID 控制的方案實現了對掘進機截割姿態的精確調控，根據實際應用表明：

1）監測控制系統各個模塊之間采用了高速數據傳輸接口，能夠快速地進行拓展，滿足多樣化的監測需求。

2）基于非線性的神經網絡+PID 控制方案采用了閉環調節控制邏輯，實現對掘進機位姿狀態的精確監測和調整，滿足掘進機在掘進作業過程中調控精確性的需求。

3）該系統能夠將掘進機的位姿調控精度提高89.4%，調節時間縮短88.2%，極大地提升了掘進機井下巷道掘進作業的精度和效率。