兖州煤业股份有限公司 山东济宁 273500
摘要：当今的采矿机械正朝着智能化、现代化和个性化发展，但掘进工作面工作人员工作强度依然很大，工作环境极差，发生事故。为了改善矿工的工作环境，改善煤炭开采，自动掘进技术至关重要。本文研究了一种基于CAN总线和神经网络PID控制的掘进机驱动系统，该系统允许对掘进机进行远程监控，以跟踪调度掘进轨迹并自主作业。
关键词：掘进机；控制系统；硬件；软件
引言
随着矿井装备机械化、自动化的快速发展，采掘设备也逐渐在各煤矿井下得到了广泛的应用。然而，目前各煤矿井下现场所采用的悬臂式掘进机大都采用工频控制方式，需要现场人员根据井下煤岩地质的不同进行人工控制操作，由于现场人工操作的不确定性使得巷道成型效果不佳。因此，本文以智能和变频控制为基础对掘进机截割自动控制系统进行设计，根据作用于截割电机的载荷、煤岩变化情况来对截割电机参数进行智能自动化实时调整，从而实现安全稳定的快速掘进。
1 掘进机工作原理
自动分流过程可分为三个运动：①顶出电机在驱动缸作用下向进给方向运动；②通过高速液压装置驱动工具，切割煤壁；③螺旋输送机将煤运至带式输送机。
2系统硬件结构与掘进流程
2.1 系统硬件结构
自动化掘进机控制系统总体设计根据位置分布，自动化掘进机控制系统可划分为本机控制系统、远程操作台和地面监控站三部分。（1）本机控制系统是掘进机自动控制系统的核心，主要实现掘进机的位置检测、自动截割、自动行走、巷道扫描等功能；（2）远程操作台是该系统的重要枢纽，一般位于掘进机后方200m左右。工作人员通过远程操作台，可对掘进机进行远程控制和运行状态监测；（3）地面监控站是远程智能化的展示窗口，可实现地面人员对掘进机的监控功能。
2.2掘进流程
一个完整的自动掘进作业流程为：首先进行各装置自检，自检完成后进入等待，开始按钮动作后，将工控机下发的预定掘进轨迹下载至嵌入式主机，并判断此时掘进机坐标是否满足预定掘进轨迹，若不满足则等待人工操作调整掘进机位置，待掘进机坐标满足预定掘进轨迹后发出支架安装指令，支架安装完成后，掘进头开始对断面进行截割作业，作业完成后发出支架收起指令，待支架收起后向工控机发出应答，工控机收到后下发下一轮掘进作业的轨迹数据。
3硬件设计
由计算机、自动控制和通信、cp 570 b&型号三个组件组成；R2000系列安装速度快、体积小且容易。机床：型号为PP480，适用于多任务任务，可将复杂项目分为简单、小任务，并为人类交互提供良好的界面，以组织整个项目，简化项目系统中的故障排除。位移传感器：可选guc 1000气缸位移传感器的输出范围为0 ~ 0 ~ 20ma，范围广，寿命长，可靠性高。比例放大器：可选E22K2-12/ 24比例放大器，输入电流< 20mA，输出电流270 ~ 630ma。循环比例反转臂：可选的270 ~ 630ma输入电流的PSL-循环刻度阀，用于切割臂的无限摆动速度。电流互感器：可选CS30-800AA。c电源传感器将0-800mA电流信号转换为1-5V电压信号。
4控制系统软件
4.1 控制基础
依据掘进机作业时截割头的水平偏角和位移、纵向偏角和位移、后部偏角对其位置和姿态进行分解，及时纠正掘进机位置和姿态是实现掘进机自动控制的基础。在掘进机掘进巷道内建立三维直角坐标系，其中Ｘ轴正向为沿巷道底板竖直向上，Ｙ轴方向为沿着巷道水平方向，Ｚ轴正向为沿着掘进机向前掘进方向。通过对掘进机机身位置与姿态进行三向分解之后，根据所测量的掘进机位置与姿态数据，对其位置与姿态进行纠偏以达到保证掘进机处于正确位置与姿态的目的。
4.2自动截割功能
掘进机的升降、回转等油缸加装了位移传感器，位移传感器可实时测量油缸长度。信号处理单元将位移传感器的电压信号转换成CAN总线信号，发送到控制器。控制器根据掘进机的数学模型，可计算出油缸行程与截割头位置坐标的对应关系。控制器内部保存了设置的截割路径，可根据设定参数完成自动截割。此外，自动截割还受到掘进机位置和姿态的影响。自动截割开始时，如果初始位置与中心点有偏差，控制器程序可以自动纠偏；自动截割过程中，如果机身倾角或航向角发生变化，控制算法可根据设备姿态进行自动修正。激光雷达传感器除了进行辅助定位之外，还可根据扫描的巷道轮廓与设定的截割断面进行校正，校验断面成形效果。
4.3改进ＰＩＤ控制算法
PID控制是一种传统的、广泛使用的控制算法，但其参数在很大程度上取决于控制对象数学模型的精度。因此，简单PID控制不再满足实时控制的要求。神经网络算法能够逼近所有非线性函数，使其自学习和自适应。将神经网络算法与传统PID控制相结合，提高了自动挖掘控制。
4.4显示屏程序编制
控制系统选用的显示屏型号为UG221H-SR4，产自于日本富士，屏幕尺寸为5.7英尺，彩色显示，能够与富士、三菱等知名PLC进行通讯，通用性好。本控制系统设计了四屏显示界面，通过手动翻屏即可完成各个显示界面的切换。显示器中的信号指示灯显示蓝色表示工作正常，显示粉色表示工作异常显示屏主界面，其中掘进机自动截割过程中指示灯能够显示掘进机截割头上、下、左、右的移动极限位置。能够实时显示截割头的高度H和宽度W的数值，同时显示器也能够实时显示截割电流的大小以及截割电机的高、低速状态。控制参数设定屏幕能够完成截割头的高度、宽度、截割步距等参数的设置。考虑到掘进机工作过程中的安全性，将截割断面的截割范围设置为高度H为1600~4100mm，宽度B为2200~4700mm，截割距d为200~1000mm。
4.5通信功能
远程操作台和本机控制系统之间通过基站进行数据传输。基站内部具有无线LORA模块和无线WiFi模块。LORA模块用来传输控制信息及设备运行状态信息，该模块与控制器通信；WiFi模块用来传输视频信息，该模块与计算机通信。采用控制信息和视频信息分离的通信方式可以提高控制命令的实时性和可靠性。远程操作台和地面监控站通过通信单元进行数据交互。通信单元将数据上传到地面，也可接收地面的控制命令。根据用户的具体情况，通信单元可以采用5G、4G等无线通信方式，也可采用光纤或网线等以太网有线通信。
4.6电气操作箱
为了便于掘进机的操作，为其配置电气操作箱及操作按钮，操作箱为隔爆兼本质安全型电气设备，其防爆壳体采用高强度钢板，通过焊接工艺制作而成。显示器设计在隔爆腔内，采用7芯排线与操作箱控制系统相连，供电电压选用DC24V，借助显示器能够监视掘进机的运行状态、电机参数等。相关的操作按钮设计采用19芯屏蔽排线与控制箱连接，供电电压为DC12V。
结束语
自动控制的内部有两种模式：自动和手动。在“自动”模式下，轨迹控制主要通过截面控制进行。该系统的主体是集成到监控室中的管理软件和管理软件，以及集成到机身中的集成控制器。CAN通信网络的质量决定了系统的实时性能，而基于神经网络算法的PID控制器决定了系统的控制性能。
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