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数字孪生控制系统在煤矿掘进机的应用

2024-01-10 79 上传者：管理员

摘要：煤矿掘进条件一般都比较恶劣，尤其是全断面掘进系统操作更为复杂，对于操作人员的要求更高。把数字孪生技术应用于煤矿全断面掘进系统，使操作人员能够轻易上手，并且能够直观地了解设备的状态。应用结果表明，模拟仿真集成控制系统可提升掘进机操作人员的操作精度，并能有效提其控制掘进机时的感官体验，使其能够在远程或者本地实时监控及接收到设备姿态。掘进机模拟仿真集成控制系统是煤矿快速掘进在智能化领域发展的一次重大突破。

关键词：
同步通信
实时捕捉设备姿态
数字孪生
模拟仿真技术
组合式盾构掘进机
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模拟仿真数字孪生在世界范围内已得到大量的实际工程应用，且保持着高速的增长势头，随着元宇宙概念的出现，模拟仿真技术已经应用到各个领域。数字孪生是一种数字化表示，可以将虚拟与现实融为一体，实现物理空间与虚拟空间的相互连接。虽然模拟仿真技术得到了很好的发展和应用，但在煤矿工程掘进装备领域中并没有一种专门针对掘进机的模拟仿真控制系统。随着煤矿全断面掘进机向智能化方面发展，设备动作及反馈参数越来越多，全断面掘进机的操作还是主要参考参数及全站仪等传感器的反馈，因此对于操作人员的业务能力要求也越来越高，设备的操控系统也相应变得更加复杂。因此开发一种数字孪生系统尤为迫切，也是今后提高设备技术水平、减少培训成本的战略需要，最终能够使全断面掘进机操作人员直观地第一时间了解到设备的姿态及动作参数，避免出现误操作影响到掘进工程生产进度和产生安全事故。

基于Unity设计的掘进机数字孪生集控系统可使操作人员对设备深入了解和实时远程同步操作。本文采用真实设备通过模拟仿真技术与现实设备相结合来实现数字孪生。这套模拟仿真系统已经应用于中煤科工集团上海有限公司于2023年3月生产的φ3 660 mm组合式智能盾构掘进机上，同年7月下井进行施工。如今数字孪生在煤矿中的应用并没有得到普及，正处于萌芽阶段，还有很多问题需要解决，主要还是底层软件的适用性及通信等问题，所以数字孪生在煤矿里的应用还有很长的路要走。现在要做的是摸索一种新的控制方式来代替原有成熟的控制方法，想完全替代原有的技术需要一个过程，要从不断实践中提升软件的可靠性。

1、组合式智能盾构掘进机工作原理

组合式智能盾构掘进机如图1所示，是一种隧道掘进专用工程机械，集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖截割土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行量体裁衣式的设计、制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电、隧道以及煤矿巷道工程。

图1组合式智能盾构掘进机外形图

盾构掘进机工作原理主要是通过电机带动传动箱驱动刀盘旋转来截割岩石、土体或者煤层，依靠隧道或者巷道壁的摩擦力，同时开启左右撑靴或者推进顶住管片，来实现盾构机向前推进，属于步进式推进方式。随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到带式输送机上，由带式输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。盾构机掘进一环的距离后，操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，或者使用锚杆挂网支撑并进行水泥浇筑的方式使隧道一次成形。

2、刀盘的建模、物理材质和运动参数设置

(1）模型导入

本文基于Unity开发引擎来编写控制系统，所导入的物理模型是φ3 660 mm组合式智能盾构掘进机，它主要用于煤矿高瓦斯抽巷的掘进工作。组合式智能盾构掘进机模型如图2所示，主要应用于煤矿复杂条件φ3 660 mm圆形岩石巷道。各单元结构长度不大于6 m，宽度不大于2.6 m，高度不大于1.2 m，最小单元质量约24 t。通过Unity开发引擎平台导入在Solid Edge中已经制作完成并转换格式的Object模型，由于导入后部件顺序及名称都相应改变，因此需要对模型的各个部件进行重新归类，主要依据联动顺序进行父类、子类的分组，如图3所示。

图2盾构掘进机模型示意图

图3导入的盾构掘进机模型分类界面图

(2）设置物理材质

给盾构掘进机虚拟模型每个部件添加材质以及纹理。通过Unity引擎自带的资源商店下载材质纹理脚本，或者通过C#语言来设置、编写纹理参数，自己来制作一些特殊的材质纹理，并把脚本挂到部件物体上。纹理的清晰还原度直接影响到虚拟模型真实还原度，还原度越高，纹理质量及容量也会相应越大，间接影响文件执行速度，这也和电脑硬件配置处理速度相关。物理材质则是通过各个部件添加相关物理组件，包括碰撞面、铰接点及自身重量等实用组件，并设置相关参数。

(3）编辑运动逻辑

通过Unity脚本引擎功能来给盾构掘进机模型加上驱动脚本，脚本的编写主要使用当前流行的C#语言，使每个运动部件能够实时地根据从PLC接收到的实时数据及数据变化通过数据库收集转换成在Unity里可以使用的变量来进行相应位移或者旋转，这些执行命令都可以通过C#语言来进行编写。首先定义对象物体，然后设置变量类型。转换成的变量通过计算公式来构成虚拟模型运动的位移量或者旋转量，并使用位移或者旋转命令来驱动物体做相关运动。最后编写完成的文件称为脚本。把编写好的脚本挂到对象模型上，一个脚本可以挂靠多个模型，但是动作是否开启还是取决于脚本是否收到相应的指令，通过这种逻辑通信关系可以实现联动效应。

(1)直线运动

盾构掘进机主要还是以直线运动为主。在模型归类上依据壳体从前往后的原理来设置父物体与子物体，并通过脚本实现部分物体位移顺序，位移距离通过上位行程传感器机得到的数据实时进行变化，最后完成整套设备的位移路线；

(2)纠偏运动

盾构掘进机的纠偏动作对于父物体与子物体关系是比较复杂的，在确保直线运动的情况下实现角度上的变化，其中还包括水平纠偏角度及垂直纠偏角度，旋转角度是通过接收上位机惯导系统给出的航向角和俯仰角再经过计算得到的纠偏角度，最终实现实时同步纠偏动作；

(3)联动

直线运动和纠偏运动最后实现的动作都会形成位移，所以相关联动非常重要。如果联动中一个环节出错，都会影响到模型姿态的实时呈现，甚至可能会造成模型脱节，所以模型父物体与子物体的关系以及脚本的运用至关重要。

(4）视图角度以及位移显示功能

视图角度设置是挂靠模型实时进行移动，并在软件操作时实现全方位的旋转，能够观察各个角度。在软件里需要添加实时位移显示，在设备上方创建另外一部摄像机用于监控设备模型的实时位移，并且需要在设备模型父物体上关联一个脚本，在父物体旋转纠偏的同时画上一根红线，这样能够清楚观察到设备模型实时的运动轨迹。

3、Unity设计

(1）设计UI界面

Unity有专用的UI组件，包括图像、文本、面板及重要的按钮组件。可以根据功能要求来布置相应的位置，一切都是为了操作的简洁及实用，位置可以通过自带的属性进行编辑规整。根据组合式智能盾构掘进机设计的人机交互界面如图4所示，并结合集成控制做出了相应调整，控制按钮包含了一级推进、辅助推进及纠偏等，数据参数的显示以及在地图中加入的设备位移曲线基本涵盖了主机部分的各种动作、设备姿态及行程。

(2）按钮的关联动作链接

要实现按钮对应的相关动作，必须先用C#编写关联的驱动脚本。之前已编写了各个部件的驱动脚本，现在编写关联对象。该对象可以是驱动脚本的对象，也可以同时关联PLC上的地址，可以是布尔值或者是整数值，实现闭环控制现实的掘进机设备和虚拟模型，实现真正意义上的同步，即数字孪生功能。脚本完成后，把脚本移动到按钮属性界面里的鼠标单击事件，并选择脚本里关联的执行命令。

图4 Unity设计的UI界面

4、Unity执行文件与PLC的通信

最后通信需要通过C#编写的脚本来实现，Unity具有最底层IO通信协议模块以及针对Modbus TCP的数据库模板，通过搭建数字孪生数据采集及存储系统实时采集状态数据。根据PLC的地址与PLC建立连接，通信协议主要是Modbus TCP。建立连接后显示“通信成功”，设置读取刷新频率来提高同步动作的连续性。通过之前编写的驱动脚本直接实时读取PLC里设置的相关动作地址，例如油缸位移传感器地址，通过地址里量程int值的实时变化，使虚拟掘进机的油缸及其相关联的部件也相应位移。通信协议是实现数字孪生同步动作的重要一环。

5、结语

本文为掘进机的数字孪生实现提供了新的呈现方法并已经应用于盾构掘进机中，为提高掘进机设备操作的可靠性提供了有力保障，从而也提高了设备操作的安全性和精确度，在工况条件恶劣或者能见度比较差的情况下使操控人员能够实时地了解设备的姿态，使误操作的可能性降到最低。

参考文献:

[1]罗旺,周韩宝.数字孪生技术在水利水电工程地质的应用[J].江苏水利,2022(S2):90-92.

[2]张照煌,李福田.全断面隧道掘进机施工技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3]薛旭升,任众孚,毛清华,等.基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制研究[J].工矿自动化,2022,48(1):26-32.

[4]赵墨波.数字孪生驱动的协作机器人状态监测方法研究[J].煤矿机械,2023,44(8):210-212.

文章来源:曹誉.数字孪生控制系统在煤矿掘进机的应用[J].煤矿机械,2024,45(01):179-181.