陳 隆
(大同煤礦集團(tuán)王村煤礦, 山西 大同 037000)
現(xiàn)在,我國(guó)煤礦開(kāi)采所使用的懸臂梁掘進(jìn)機(jī)主要通過(guò)工人目測(cè)觀察、手動(dòng)操作兩種方式開(kāi)展工作。由此可以看出其自動(dòng)化程度相對(duì)較低,巷道斷面主要取決于人為,此外由于煤礦井下作業(yè)相對(duì)復(fù)雜,比如存在能見(jiàn)度低、粉塵大等,因此導(dǎo)致出現(xiàn)超挖以及欠欠挖現(xiàn)象,從而給后面的工作帶來(lái)影響。為此筆者設(shè)計(jì)了一種以DSP 懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的智能化控制掘進(jìn)機(jī),其能夠借助設(shè)置的傳感器采集數(shù)據(jù);同時(shí)為了能夠更加準(zhǔn)確地控制掘進(jìn)機(jī)的截割部,使用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法可以有效減少掘進(jìn)機(jī)在巷道掘進(jìn)超挖欠挖的概率,使掘進(jìn)機(jī)滿足自動(dòng)化設(shè)計(jì)的需要[1-3]。
對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)而言,采用DSP 為主控單元,能夠?qū)崟r(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)以及控制。其中掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)主要包括如下兩種功能:第一,掘進(jìn)機(jī)基本控制;第二,斷面自動(dòng)成形控制。前者,包括如下幾個(gè)子功能:第一,行走;第二,行星輪運(yùn)動(dòng);第三,數(shù)據(jù)采集處理等等。后者是以斷面輪廓自動(dòng)截割控制為基礎(chǔ),并且融入神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制。對(duì)于遠(yuǎn)程控制單元需借助CAN 通信,當(dāng)工作時(shí),借助查詢方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)對(duì)上位機(jī)的指令反饋,借助應(yīng)用中斷的方式將上位機(jī)的指令傳輸給下位機(jī)。與此同時(shí),借助QT 軟件編寫(xiě)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件,這樣能夠通過(guò)MYSQL 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。圖1 表示相應(yīng)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。
以DSP 掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的硬件主要包括如下幾個(gè)單元:第一,輸出接口單元;第二,數(shù)據(jù)采集單元;第三,通信單元。這樣可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的控制與中斷控制[4-6]。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)需要10 輸出24 V,相應(yīng)的DSP僅僅能夠輸出3.3 V 的電壓。本設(shè)計(jì)選用的驅(qū)動(dòng)器包括TLP293-4 光電耦合器、ULN2803,其不僅可以有效地清除信號(hào)的干擾,而且能夠?qū)刂破髌鸬揭欢ǖ谋Wo(hù)作用,下頁(yè)圖2-1 表示輸出接口電路圖。采用DAC7724 對(duì)液壓比例控制閥進(jìn)行控制,有4 路模擬輸出端口,下頁(yè)圖2-2 表示截割臂精確控制原理圖。
數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)字以及相應(yīng)的模擬量。通常設(shè)置RS485 和RS232 實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集。對(duì)于模擬量傳感器電壓輸出而言,其輸出范圍為0~10 V,相應(yīng)的DSP 主控單元設(shè)置的ADC 單元,不能識(shí)別該模擬信號(hào),為此可以添加電壓分壓器,從而將電壓范圍控制在0~3 V 的范圍內(nèi);與此同時(shí),需要增設(shè)肖特基二極管,這樣可以保護(hù)ADC 單元。下頁(yè)圖3 表示ADC 電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)采集多個(gè)數(shù)據(jù),降低成本。
圖2 基本輸出模塊設(shè)計(jì)
圖3 ADC 電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
為了更好地對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,可以借助CAN 完成DSP 和上位機(jī)之間的信息傳輸。本系統(tǒng)借助宇泰的USB 轉(zhuǎn)CAN 的接口完成上下位機(jī)信息通信。下位機(jī)的信息反饋方式為查詢,上位機(jī)的信息傳輸采用中斷,這樣就可以完成掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。
程序的編程采用單元設(shè)計(jì),其主要包含如下幾個(gè)單元:第一,基本功能控制單元;第二,數(shù)據(jù)采集及處理單元;第三,遠(yuǎn)程通信單元;第四,斷面自動(dòng)成形單元等。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),其可以把掘進(jìn)機(jī)工程數(shù)據(jù)存入鏈表,與此同時(shí)設(shè)定刷新時(shí)間。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)截割部的精確控制,通常對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。一般情況下,截割臂的動(dòng)力來(lái)源于升降油缸以及相應(yīng)的回轉(zhuǎn)臺(tái)油缸的伸縮,這樣能夠?qū)崿F(xiàn)截割部垂直與水平運(yùn)動(dòng)。其中控制系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)元件:第一,傳感器;第二,比例換向閥;第三,液壓缸;第四,DSP 控制器等等。圖4 表示控制原理。本文研究將掘進(jìn)機(jī)設(shè)置在機(jī)身處于正常狀態(tài)下。當(dāng)截割部處于垂直截割狀態(tài)時(shí),設(shè)定向上為正方向,向下為負(fù)方向,設(shè)定α 表示垂直升降角度。當(dāng)截割部處于水平截割狀態(tài)時(shí),設(shè)定向左表示正方向,向右表示負(fù)方向,設(shè)定刀為水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度。依據(jù)工程實(shí)際發(fā)現(xiàn),煤礦主要使用矩形巷道,因此采取的工況環(huán)境為矩形巷道。為了更好地優(yōu)化程序,假設(shè)巷道斷面位置處的各個(gè)點(diǎn)都是已知的,通過(guò)位移解析法計(jì)算掘進(jìn)機(jī)截割壁空間的實(shí)時(shí)位置,假如截割頭處于邊界狀態(tài),那么這時(shí)截割臂所處的擺動(dòng)速度開(kāi)始自動(dòng)下降,圖5-1 表示斷面自動(dòng)截割控制方法,圖5-2 表示相應(yīng)的斷面自動(dòng)成形控制程序流程。
本實(shí)驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式,以EBZ160 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為模型,模型比例為1∶5。臂長(zhǎng)大致有1 000 mm,依據(jù)相應(yīng)的截割機(jī)構(gòu)尺寸以及相應(yīng)的斷面控制方式,進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
由于掘進(jìn)機(jī)截割位置包括水平與垂直方向的運(yùn)動(dòng),為此本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同角度的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄,這樣可以與標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行比較。此次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6 組,α 分別取20°、0°、- 20°,并且活動(dòng)的范圍為-22°~22°,每隔兩度的等差數(shù)列實(shí)施實(shí)驗(yàn),當(dāng)β 分別取20°、0°、-20°時(shí),操作同α,下頁(yè)圖6 表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖4 掘進(jìn)機(jī)截割部控制系統(tǒng)原理
圖5 掘進(jìn)機(jī)巷道斷面控制方法
圖6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖7 表示數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MATLAB 處理之后的結(jié)果。當(dāng)α 取0°、20°、-20°時(shí),將β 的控制角度與標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行比較。在識(shí)別角度時(shí)采用絕對(duì)編碼器,絕對(duì)零點(diǎn)和22°相匹配,并且以等差數(shù)列遞減。假如α取0°,那么控制角度的誤差可以達(dá)到0.67°。假如α 取值為20°、α=-20°,那么相應(yīng)的誤差分別為0.71°、0.73°。通過(guò)分析控制誤差數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),假如截割臂空間角度絕對(duì)值相對(duì)較小,那么相應(yīng)的控制誤差也非常小。
圖7 截割壁水平回轉(zhuǎn)控制誤差情況
同理,假如β 取值為0°、20°、-20°,α 的測(cè)量角度和標(biāo)準(zhǔn)角度進(jìn)行比較。假如β 取值為0°時(shí),那么這時(shí)α 測(cè)量角度出現(xiàn)的最大誤差為0.69°。與此同時(shí),當(dāng)β 取值為20°、-20°時(shí),那么α 對(duì)應(yīng)的最大誤差分別為0.73°、0.76°。由此可以看出,在控制系統(tǒng)中植入神經(jīng)元自適應(yīng)算法時(shí),能夠極大地優(yōu)化控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。依據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)所處的工程實(shí)踐,分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)α 和β 角度絕對(duì)值在較大狀態(tài)時(shí),才會(huì)發(fā)生超挖、欠挖的現(xiàn)象。依據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出截割臂處于升降以及回轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的角度誤差低于0.80°,由此可以滿足工程需要。
DSP 控制程序基于端面自動(dòng)成型控制流程圖以及相應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)截割部對(duì)應(yīng)的模型。DSP 可以把采集到的工況數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),這時(shí)上位機(jī)可以處理α、β 的數(shù)據(jù),掘進(jìn)機(jī)可以依據(jù)程序調(diào)整位置,并且實(shí)現(xiàn)斷面自動(dòng)截割。本實(shí)驗(yàn)采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式,以EBZ160 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為模型,比例為1∶5。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí),對(duì)斷面不截割,其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示。通過(guò)分析圖6 可以發(fā)現(xiàn),斷面軌跡能夠滿足工程設(shè)計(jì)需要。由此可以看出該系統(tǒng)能夠達(dá)到斷面自動(dòng)成形截割的精確度。
依據(jù)工程實(shí)際發(fā)現(xiàn),借助單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾個(gè)功能:第一,截割部精確控制;第二,斷面自動(dòng)成型;第三,遠(yuǎn)程監(jiān)控等。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)巷道掘進(jìn)的需要,提升掘進(jìn)機(jī)的工作效率,實(shí)現(xiàn)智能化的發(fā)展。