矿用自移机尾控制系统方案概述
1. 概述
1.1 矿用皮带自移机尾
煤炭工业是我国经济和发展的支柱型产业，在我国能源生产和国民消费结构中占左右。在将来的相当长的一段时间内煤炭在我国的能源生产仍会占有较大份额。据煤炭行业协会统计，年我国煤炭产量亿吨，约占一次能源生产总量煤炭消费总量亿吨，约占一次能源消费总量。煤炭生产和消费总量同比分别增加和个百分点。我国是一个富煤缺油少气的国家，这种能源资源状态决定了在今后较长时期内，煤炭仍将是我国的主要能源。
随着经济的快速发展，科学技术的蓬勃兴盛，国家对煤炭开采工业提出更高的要求，我国在大型综釆设备上的研究已经有了长足的进展，其中包括滚筒采煤机、液压支架、刮板输送机、自移机尾和胶带输送机在内的主要设备，以及一些辅助配套设备。并且将所取得的成果成功地应用到实际开采中，不仅大大地提高了效率，而且保证了开采的安全性和可靠性。
胶带机自移机尾是综合机械化采煤工作面顺槽运输设备之一，作为连接桥式转载机和顺槽胶带机的枢纽，不仅具有自移和调高的功能，而且能够调整因地面不平整、载荷不均等原因造成的胶带跑偏问题，可以校正转载机的推移方向，让综采工作面实现从落煤到支护，从破碎到运煤的机械化，自移机尾联合转载机结构如下图。
1.2 自移机尾自动控制系统概述
目前，对于自移机尾的操作均通过人工自行手动完成的，工人按照操作规程，结合工作经验，手动调节液压油路上的换向阀，控制相应油紅，来完成机尾的推移、调偏和调高等动作。这样人工手动控制固然会带来诸多缺点：
- 手动操作并没有实现机尾的“自移”功能。实际上仍然依靠手动。
- 操作工人往往由于对规定不了解或是工作经验不足等原因，调节皮带跑偏时调节不到位，加上皮带运行速度很快，导致皮带跑偏速度也很快，若调节不及时将导致皮带边缘磨损严重。
- 当皮带跑偏较频繁时，手动调偏工作量增加，加重了工人的劳动强度。
- 目前自移机尾部分在通讯方面仍没实现自动化。
诸如此类的由于手动操作带来的缺陷还有很多，所以，迫切需要自移机尾的自动化改造。针对自移机尾的自动控制的研究除了能改善上面说的诸多缺点以外，还有他自身的自动控制的优点。比如，控制动作精确，晌应速度较快，工作效率高，能实现无人自动作业，能与其他釆煤设备通讯，实现中央集中控制等优点。
自动控制理论已经发展了近一个世纪，理论上已经非常成熟，这为自移机尾自动控制系统的研究奠定了强大的理论基础。另外，当今各种工控硬件已经实现了模块化，而且控制精度高，稳定性强，这为建立精准和稳定的系统提供了硬件基础。因此，本项目具有可实现性和可操作性。自移机尾自动控制系统的实现，关键是对皮带自动纠偏方面的研究，研究皮带自动纠偏技术自然先从皮带跑偏机理的分析开始，对皮带跑偏机理的讨论中将针对皮带滚筒组成的非线性结构在皮带跑偏过程中的力学特性进行探究，通过对跑偏机理的讨论，能对非线性问题有更清晰的认识；对于自动纠偏控制算法的研究，同样能够检验先进的控制算法是否能够对非线性问题起到预期的控制效果。1.3 理论基础概述
根据国内外目前研究情况，皮带跑偏主要归因于某种原因导致的皮带内部张力不均匀。张力的不均勻时，皮带与滚筒的相互作用力同样不一致，皮带缠在滚筒上会发生形变和打滑现象，形变大小和打滑程度的与皮带和滚筒间的作用力有关，作用力不一样，打滑程度不尽相同，皮带的形变大小不一致。张力较大的位置形变大，打滑程度低，促使运动速度相对较快，导致该处皮带就会想着张力更大的方向移动，此动作进一步导致皮带横向张力越来越不均勻，由于这种动作的多次循环，皮带进一步横移，最终导致皮带跑偏。
根据实践经验，可就皮带跑偏的现象得出如下结论。 - 一般的皮带输送机在机头和机尾之间分布着若干个承载皮带运行的托辊，每个托辊在安装时，其轴线必须同皮带的运输方向相垂直，这样才能使得皮带的受力与速度二者相平行，即在横向上的受力为零，不会出现横向窜动现象。若其中有一个或多个托辊没有达到这样的安装要求，皮带在运行过程中就会发生横向窜动，也就是说，托辊的轴线与皮带的中心线非垂直，在皮带的运行方向上，托辊的一端在前，一端在后，这是导致皮带跑偏的直接原因。
- 当托辊机架在安装过程中，其水平偏差不在允许范围内，从而导致托辊一端较高，一端较低，如图所示，皮带具有向托辊低端滑动的趋势，因此，皮带会受到和这种趋势反向的摩擦力，即向托辑高端的摩擦力，皮带最终向着托辊高端跑偏。此时的解决方法应该是，调整机架，使得其中心线与理论水平线平行。
- 皮带输送机自身制造质量有问题，导致皮带截面上在横向上所受张力不同，从而在其中心线发生弯矩作用。或是皮带接头质量低，比如接头不正，或存在倾斜偏移的现象，这些都会导致皮带在作业过程中跑偏。
- 由于给料方向、落料高度和落料位置布置的不当，使得物料对皮带机产生横向冲击导致其相对皮带跑偏。当物料的落料点和皮带中心线存在较大偏差时，假如物料落点在皮带中心线右侧，皮带具有向右的滑动速度，此时，皮带就会收到相对滑动速度相反的摩擦力，即皮带向左跑偏，反之，则向右跑偏。为解决这类问题，可以安装导流板，如下图所示，将落料点向皮带中心位置引导。
- 生产环境所带来的影响，例如，滚筒或托親由于清理不及时，表面粘上了一定量的物料，运行过程中，粘有物料的位置相当于增大了辊子的直径，使得其表面皮带受力增大，从而导致跑偏；另外，皮带在运输过程中避免不了受到某种程度的损坏，由于皮带在横向上的受损不一样，在受到相同拉力时，横向的拉伸量不均勾，若拉伸量相差比较大，很容易造成皮带跑偏。
1.4 控制方案概述
本方案采用电控式纠偏装置，是指利用相关执行器，控制器和传感器，根据反馈回的皮带位置信号，通过纠偏算法，驱动执行器（如液压缸、电机等），直接或间接对皮带进行防偏或纠偏作用。如下图所示，本方案横向推移式纠偏系统由液压伺服系统（包括液压站、伺服阀等、伺服液压紅、光电检测仪（由防爆摄象头和日光灯组成、控制器、位移传感器等组成。此类系统的特点是横向推动辊子，通过调整辑子的位置，从而纠正皮带的相对位置。该系统利用布置在皮带上下侧的光电检测仪来拾取带材的边缘位置，釆用此类非接触式光电传感器需采用软件方式进行干涉分析，以防止各种大颗粒杂质的干扰。
如下图所示，本方案纵向推移式纠偏系统在机架上的皮带边缘处安装一套对称的位置检测装置，根据编号为1、2、3、4的四个传感器来判断皮带是否跑偏，接受到纠偏指令后驱动四个纠偏油紅，从而控制前后两托辑的运动实现纠偏。此类系统的特点是推动托辑的纵向移动，利用“跑后不跑前”的规律来纠偏。该系统把皮带在横向上分为A、B、C三区，简单的硬性分区使得系统缺乏控制柔性，降低了系统的准确性和稳定性。
2. 水平纠偏系统介绍
2.1 自移机尾主要结构及工作原理
自移机尾是井下综采工作面巷道运输系统的重要组成部分，连接桥式转载机和顺槽胶带机，配合工作面的推进而自动前移，具有适应不同地势的调髙功能，而且能够调整因设备偏移或载荷不均等原因造成的胶带跑偏问题，从而起到校正转载机推移方向的作用，实现综采系统从破碎到运输的机械化。随着煤炭产量的不断增加，对综采系统提出了更高的要求，不仅是在结构上进行优化，增加系统可靠性等方面，更要提高系统的自动化程度，在保证系统可靠性的同时，提高设备的生产效率，并且尽量避免人工的直接操作，保护操作工人的人身安全。
2.1.1 自移机尾的主要结构
自移机尾主要组成部分有：尾端架、中间机架、头端架、浮动托辊组、推移油缸和
滑移小车等，如下图所示。对于自移机尾各部分详细功能，用户方面已非常清楚，在此不做赘述。
2.1.2 自移机尾的工作原理
自移机尾利用摩擦力，与转载机互为支点，迈步自移。将四个立缸的活塞杆收缩，让机身落下，以转载机为支点，推移赶活塞收缩，由于推力的作用，自移机尾相对于转载机前进了一个行程，完成自动推移。将四个立缸的活塞伸出，撑起机身，使得固定滑座抬离地面，此时，转载机随着刮板机的推进而推进，滑移小车同样随之推移，带动推移缸逐渐推出，直到推移到一个行程为止。像这样循环往复运动，实现了机尾的迈步自移。
纠偏装置是通过布置在机尾前后端的水平油虹的伸缩运动，使得自移机尾在滚筒的轴向进行移动，从而调整机身中心线与皮带中心线的相对距离，实现纠偏功能。自移和纠偏的动力源均使用综采工作面提供的高压粟站。四个立赶的进液回路布置液控单向阀，用来维持整个机身的实时姿态，不让机身在重力作用下自行下落。纠偏水平赶的进液回路同样布置液控单向阀，用来维持机尾滚筒的横向状态，保证滚筒在皮带横向张力的作用下不会随之移动。2.2 水平缸纠偏机理
2.2.1 对水平缸螺旋滚筒皮带系统进行简化
自移机尾的主要纠偏装置就是布置在机尾前后两端的水平油缸，控制水平缸活塞杆的伸缩，轴向推拉自移机尾的滚筒，调整其相对于皮带的距离，从而实现纠偏功能。针对水平缸自动纠偏系统的研究，需要知道其纠偏过程的动态特性，由于其实际结构较复杂，现对其进行简化处理，简化模型示意如下图。
针对水平缸纠偏过程进行动态分析，为便于分析，对模型进行一定程度的简化，如下图所示。将滚筒和皮带简化成两个质量块，两者在张进力的作用下相互接触，对皮带进行受力分析，分别受到张紧力与滚筒间的摩擦力，皮带的自身弹性恢复力，其中，可以简化为固定弹簧的作用力，随皮带偏移量的增加而正比例增大，—端固定在皮带边缘，另一端固定于地，当皮带偏移量为零时达到平衡状态。由于滚筒重量远大于皮带，忽略滚筒所受摩擦力。
2.2.2 水平缸纠偏控制系统方案
水平缸自动纠偏系统的硬件图如下图所示，主要由控制器，液压系统，螺旋滚筒与皮带，光电传感器等构成。其中布置在皮带左右边缘的光电传感器固定在自移机尾的机架上，用来检测皮带与滚筒的相对距离。
系统的工作原理：将读入的光电信号作为系统反馈量输入到纠偏控制器中，将计算得到的输出转换成相应信号作为控制量，然后控制电液换向阀的正反向开关时长和频率，从而近似连续地控制换向阀的输出流量，最终达到对滚筒移动速度和方向的连续控制。由于纠偏系统中包含了液压伺服控制和摩擦力学部分，且属于研发性质的项目，为提高系统可实现性，本方案在研究阶段拟釆用多学科仿真软件进行辅助设计与仿真。软件基于直接图形接口，用户在构建系统时可运用软件中自带的子模型库中的模型，每个模型运用图表符号来表示，通过必要的接口与其他模型相连，从而实现物理模型向虚拟模型的转变，同时每个模型均具有标准化的参数，可以辅助用户进行参数化设计。
在仿真系统中构建的虚拟控制系统，如下图所示，包括液压系统、控制器、滚筒皮带模型和传感器等。
构建起系统模型之后，通过和的接口技术，通过特定的接口联接两个软件，最终实现对基于自动纠偏系统的联合仿真，得出仿真曲线，以作为实际工程实施的基础。2.3立缸控制系统
与水平跑偏相比，立缸系统的控制相对简单，在控制时主要要考虑到机尾姿态与皮带跑偏方向的关系。滚筒位于自移机尾的尾端，皮带自下而上地穿过滚筒，其运输方向也是自下而上的，四个立虹分别位于机尾的四个角上，各自的活塞可独立伸缩。
为了更清晰的显示出立虹、滚筒和皮带的位置关系，对上图进行一定的简化，如下图中的(a)(b)，图a中，将实际模型简化成仅由自移机尾尾端滚筒、皮带机头滚筒、四个立社和皮带组成的研究对象。同时，以尾端滚筒轴线的中点为坐标原点，轴线方向作为轴，与轴线垂直且沿着皮带运行方向作为轴，建立二维直角坐标系。通过调整四个立紅改变机架的姿态，实际上就是改变滚筒轴线的姿态，因此，将图a进一步简化成图b所示结构，通过原点垂直平面添加，构成三维直角坐标系，机尾端滚筒轴线，皮带机头滚筒轴线固定不动，轴线随着机架姿态的改变在平面内旋转，为两轴线的公垂线，初始状态两轴线平行。因此，通过分析轴线在不同情况下皮带的跑偏方向就可以间接的研究机尾姿态与皮带跑偏方向的关系。
3. 自移机尾自动控制系统
3.1 项目目标
为了更加髙效且保证安全的实现自移机尾的动作，本方案首先设定三种工作模式，分别是：
- 手动模式，操作员可直接“点动”面板或遥控器上的按钮，实现对每个油虹的直接手动控制。
- 分步自动模式，整个系统可分为推移、自动恢复水平和自动纠偏三组动作，分步自动模式下可分别实现每一组动作的分步自动完成。
- 全自动模式，即实现整套动作的自动完成。
系统主要分为自动推移、自动恢复水平和自动纠偏三组动作，下面说明每组动作的作用和要求。
自动推移
工作面推进过程中连带着转载机在机尾导轨上同步推进，由于导轨长度有限，当转载机推移达到极限时，需要机尾以转载机为支点向前推移，提供给转载机再次推进的空间。机尾推移过程中，首先要收缩四个立缸，使机架完全落在溜槽上，然后设定推移距离，并且确认前端的架是否拆除，最后进行推移动作，推移到位之后，伸出四个立缸，撑起整个机架，从而完成一次推移动作。
自动恢复水平
在每次推移之后，需要恢复自移机尾机身的水平，以保证机身与前方固定架在水平面上对齐，防止机身的四个角髙度不同导致的皮带跑偏。实现方法就是在推移到位信号发出后，根据当前读取的机身倾角传感器的数值与零度做差，利用此偏差的正负大小作为反馈，通过控制器的负反馈控制输出控制量驱动四个立缸进行调平动作。
自动纠偏
在“自动纠偏”状态下，完成机身状态和皮带相对位置的动态调整，保障皮带中心线与机身中心线的重合，防止皮带边的损坏。自动纠偏位置依靠专门设计的皮带偏度传感器检测，主要通过前后两个水平缸完成，如果水平移动距离过大时，需启动迈步推拉功能（通过立缸和水平缸交替动作实现）。除此之外，还需要实现浮动托辊的自动保持，与集控中心的通信，报警及无线遥控等功能，其中通过保持浮动托辊与机身的夹角来保持浮动托辊的抬起高度，使机尾部分皮带前端皮带平稳过渡，保持一定的张紧力。3.2 硬件选型与设计
为实现上节提出的各种功能，需要必要的传感器、控制器、执行器和通讯设备等硬件的支持，如下图所示，分别有四种传感器输入到控制器中，输出的控制信号通过电液换向阀控制相应的油缸。
- 皮带偏度传感器
为检测皮带相对于滚筒的偏移量，在自移机尾机身前后分别布置四组跑偏传感器，分别检测机身前后的皮带边缘位置，通过左右对称的传感器得出的位移值做平均，得出所需的皮带偏移量。其中，采用左右对称的方式有利于增加检测的可靠性。
由于运输距离很长，所配套的皮带也很长，达几公里到几十公里，为了避免皮带的磨损，决定采用非接触式的光电传感器检测皮带偏度，并采用优化算法以通过传感器遮挡程度判断偏移量，同时考虑到现场环境的影响因素。传感器示意如下图。
- 皮带偏度传感器
为检测转载机在轨道上推进的位移，本文选用型矿用位移传感器，其工作原理是通过内置排成一列的干簧管去感应磁性材料的位置，转换为对应的电信号作为输出。传感器固定在机身侧面，将磁铁对应地固定在推移小车下方。
- 其他电器部件
除此之外，系统仍需要其他功能的传感器或通讯设备： - 倾角传感器。为检测机身在水平面和竖直面的二维倾角以及浮动托辑在竖直面的倾角，需在机身和浮动托辑上分别安装倾角传感器，
- 油缸位移传感器。为了实现“自动恢复水平的功能，需检测每个立缸的活塞位 移作为位移反馈量，因此在每个立缸中嵌入型位移传感器，安装时应注意避免与立缸伸缩动作的干涉。并保证较好的防护性。
- 电液换向阀。本系统需要控制个油缸的双向动作，因此采用一组功能的电液换向阀。
- 矿用遥控器。与控制器的通讯采用协议。
3.3 控制系统
本系统的输入信号既有幵关量又有模拟量，控制液压缸的输出为继电器幵关量输出，通讯部分分别需要通讯协议，以及与集控中心的无线通讯。因此，决定采用PLC为控制核心，包括模块，数字量输入输出模块，模拟量输入模块以及通讯模块等。控制器结构组成如图所示。
3.4 软件设计
为实现所描述的幵发目标，软件设计中要注意设定模式切换程序，手动程序，分步自动程序（包括自动推移、自动纠偏等程序，全自动程序（将每一分步按照一定前提条件组成能够自动运行的整体）。据此，本方案设计了如图所示的程序流程图。
