掘进机安全监测及位姿控制系统的优化研究

刘 伟

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司， 山西 晋城 048400）

引言

掘进机是煤矿井下巷道掘进的核心设备，其掘进精度和可靠性直接决定了井下巷道掘进的效率和巷道成型质量。目前掘进机在巷道掘进作业中主要依靠人工控制，受井下地质环境复杂、粉尘浓度大等因素影响，掘进机的掘进姿态调整反应速度慢、姿态调整精确性差，使巷道的成型质量受到了较大的影响，严重影响了井下巷道掘进效率和可靠性。

随着各类传感器精度及闭环调控技术的发展，本文提出了一种新的掘进机安全监测及位姿控制系统，利用多类型传感器实现对掘进机掘进位置和姿态的精确监测，再结合模糊神经网络+PID 闭环控制理论，实现了对掘进机掘进姿态的动态监测和调整。根据实际应用表明，该系统能够将掘进机的位姿调控精度提高89.4%，调节时间缩短88.2%，极大地提升了掘进机的调节控制精度和可靠性。

1 掘进机姿态监测系统

掘进机在井下掘进作业过程中，影响其掘进姿态的核心包括摇臂的角度、位移、截割机构油压等，对掘进机截割姿态监测的主要目的是将截割姿态和理论控制姿态对比，获取截割姿态偏差量，然后由系统自动将偏差量转换为调节控制信号传输给截割控制系统，实现对掘进姿态的灵活调整。结合掘进机的截割控制要求，本文提出了一种新的掘进机掘进姿态监测系统，其结构如图1 所示[1]。

由图1 可知，该监测控制系统主要包括地面监控中心、数据传输网络、视频及传感器监测模块、声光报警系统等，系统采用了模块化组合结构，各个模块之间采用了高速数据传输接口，能够快速地进行拓展，满足多样化的监测需求。

图1 掘进机掘进姿态监测系统结构示意图

地面监控中心主要包括监控主机和监控显示屏，主要是显示井下掘进机运行姿态监测结果，出现异常后能够快速显示故障位置和故障初步原因，同时能够通过监控主机发出调控信号，满足对掘进机运行状态进行调整的需求。

数据传输网络，主要用于保证监测系统内各类传感器监测信号及视频监测信号的快速、安全传输，采用了CAN 总线+以太网的数据传输结构，在井下单元部分以以太网数据传输为核心，在地面部分则以CAN 数据总线结构为核心，提高数据传输效率和抗干扰性。

视频及传感器监测模块，主要用于对掘进机运行过程中的摇臂倾角、位移等进行实时监测，将监测结果传输给地面控制中心，实现对掘进机运行状态的动态监测。

声光报警系统主要是当监测到掘进机运行姿态异常时及时进行报警，避免出现掘进机截割偏差过大影响掘进安全的情况。

2 掘进机位姿控制系统

掘进机监测系统获取掘进机的工作状态信息后，根据控制中心的分析，获取掘进机位姿偏差信号，并将偏差信号传输给掘进机姿态调节控制器，控制器对调节信号进行处理后再经过放大器进行数字信号的放大，然后将控制信号传输给电磁比例阀，控制电磁比例阀的开度及调节速度，进而实现对掘进机姿态的灵活调节控制，该掘进机姿态调节控制系统整体结构如图2 所示[2]。

图2 掘进机姿态调节控制系统结构示意图

由于掘进机在运行过程中同时接收到的数据信息量大，而且各类数据信息多呈现不规律分布，因此传统的线性逻辑评估方案难以满足对掘进机姿态调整控制信号分析的需求，因此在对多种姿态信息调控逻辑进行分析的基础上，提出了一种基于非线性的神经网络+PID 控制方案[3]，其整体控制逻辑如图3 所示。

图3 神经网络+PID 控制结构示意图

由图3 可知，该新型控制系统中，r（k）表示系统的监测输入信号，e（k）表示系统的分析调节信号，y（k）表示系统的调节输出信号，kp、ki、kd分别表示比例、积分、微分控制函数。通过模糊神经网络+PID 控制器对数据信息进行多次分析，从而保证了对掘进机工作过程中姿态调整的精确性。系统采用了闭环调节控制逻辑，对掘进机的位姿调节状况进行实时对比分析，实现对掘进机位姿状态的精确监测和调整，满足掘进机在掘进作业过程中调控精确性的需求。

3 系统硬件及通信结构设计

由于煤矿井下地质条件相对复杂，采煤机的工作环境较为恶劣，因此系统所使用的各个硬件结构在满足调控精度需求的情况下应该着力提升其工作的可靠性、扩展性及使用的性价比。在对多种通信控制系统进行验证的基础上，最终确定系统的控制核心可采用SI-PLUS S7-300 型PLC 控制器[4]，通信模块采用了CP340-RS485 数据通信模块[5]。系统工作时的各类数据信息均来自于各类传感器。为了提高对各类数据信息的分析准确性，系统采用了以模拟量输入模块为核心的传感器设备，在工作时能够将各类传感器的模拟信号转换为可以准确传输的电平信号。

在该掘进机安全监测及位姿控制系统内，需要满足对掘进机位姿状态的实时监测，因此对数据传输系统的传输稳定性要求极高。为了保证数据通信的安全性，在控制中心的微处理器和煤矿井下监控分站之间采用了基于CAN 的双向数据传输模式，PLC 模块上无直接的CAN 数据接口，因此需要采用RS485 通信模块对CAN 数据线路进行转接，整个系统的数据通信线路构造如图4 所示[6]。

图4 数据通信线路结构示意图

4 应用情况分析

为了对该掘进机安全监测及位姿控制系统的实际应用情况进行分析，以EBZ200H 掘进机为研究对象[7]，对其控制系统进行智能化改造，实现对掘进机姿态的实时监测和调整，并对掘进机工作过程中的位姿调控情况进行监测。根据实际应用表明，采用新的控制系统后，能够将掘进机的位姿调控精度由最初的±80 mm，提高到目前的±8.48 mm，比优化前提升了89.45%，将系统的反馈调节时间由最初的7.2 s 缩短到了目前的0.835 s，比优化前降低了88.2%，显著地提升了井下掘进机在工作时的稳定性和可靠性。该掘进机监测控制系统调试现场如图5 所示。

图5 掘进机截割监测系统调试现场示意图

5 结论

为了解决掘进机在巷道掘进过程中位姿调整精度差的不足，提出了一种新的掘进机安全监测及位姿控制系统，通过模糊神经网络+PID 控制的方案实现了对掘进机截割姿态的精确调控，根据实际应用表明：

1）监测控制系统各个模块之间采用了高速数据传输接口，能够快速地进行拓展，满足多样化的监测需求。

2）基于非线性的神经网络+PID 控制方案采用了闭环调节控制逻辑，实现对掘进机位姿状态的精确监测和调整，满足掘进机在掘进作业过程中调控精确性的需求。

3）该系统能够将掘进机的位姿调控精度提高89.4%，调节时间缩短88.2%，极大地提升了掘进机井下巷道掘进作业的精度和效率。