王曉東，向 洋，胡漢文，石明全

(1.電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731;2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 401120)

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)，又稱部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，廣泛應(yīng)用于礦山井下巷道掘進(jìn)、交通和水下隧道以及其它工程的洞道開掘工作。當(dāng)前傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)作業(yè)主要依賴掘進(jìn)機(jī)司機(jī)位于機(jī)身手動操作，通過控制油缸換向閥以及電機(jī)操作箱來完成采掘工作。一方面，由于巷道掘進(jìn)工作環(huán)境惡劣，瓦斯?jié)舛容^高，安全事故頻發(fā);另一方面，工作現(xiàn)場的粉塵、機(jī)體振動等因素給操作人員的工作帶來了很大的困難，導(dǎo)致勞動強(qiáng)度較大，掘進(jìn)效率難以有效保證。近年來，掘進(jìn)機(jī)操作人員的安全與掘進(jìn)效率問題成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

針對傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)的缺點(diǎn)，筆者提出一種掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以某公司的掘進(jìn)機(jī)為例，設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)，通過采用西門子S7-200PLC控制比例電磁閥替代傳統(tǒng)人工操作機(jī)械式換向閥，將操作臺與機(jī)身分離，提出車體位姿定位控制策略并建立截割臂空間位置參數(shù)數(shù)學(xué)模型，使得司機(jī)能夠遠(yuǎn)程操縱并監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)，有效保證掘進(jìn)機(jī)操作人員的安全，較佳地提升掘進(jìn)工作的效率。

1 系統(tǒng)組成框架

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)由上位機(jī)(工控機(jī))、PLC網(wǎng)絡(luò)、傳感器、比例電磁閥組成。其中上位機(jī)主要為通過與PLC通信顯示掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)參數(shù)，PLC網(wǎng)絡(luò)與傳感器完成數(shù)據(jù)采集和邏輯運(yùn)算后，通過控制比例電磁閥完成掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制，完成采掘工作，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由4臺PLC控制截割頭升降油缸、截割頭回轉(zhuǎn)油缸、截割頭伸縮油缸、鏟板升降油缸、后支撐升降油缸、一運(yùn)馬達(dá)、左行走馬達(dá)、右行走馬達(dá)、左星輪馬達(dá)、右星輪馬達(dá)對應(yīng)的10組電磁閥，轉(zhuǎn)載電機(jī)、油泵電機(jī)、截割電機(jī)3組電機(jī)，以及各電機(jī)電流傳感器、4個拉線傳感器、4個激光位移傳感器、2個壓力傳感器。

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)工作原理:PLC上電運(yùn)行后，接收各傳感檢測器件給出的信號，在確認(rèn)無故障后，閉合主回路，開始檢測各輸入點(diǎn)狀態(tài)。PLC程序?qū)Ω鱾€輸入信號進(jìn)行分析處理，并按照系統(tǒng)控制方案輸出相應(yīng)的控制信號，控制3臺電機(jī)啟停，實(shí)時檢測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，并輸出狀態(tài)指示。同時，上位機(jī)讀取PLC中的相關(guān)標(biāo)志位，顯示在屏幕上，使操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2 控制策略

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是掘進(jìn)機(jī)實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控策略，使位于遠(yuǎn)距離操作室內(nèi)的司機(jī)獲得當(dāng)前車體位姿、截割頭位置的具體信息。

2.1 車體位姿定位

由于采用遠(yuǎn)程操作，車體在巷道中的姿態(tài)狀態(tài)成為遠(yuǎn)程控制的一個難點(diǎn)問題。本方案中車體位姿定位方式通過3個激光測距儀獲得掘進(jìn)機(jī)整機(jī)在巷道中相對位置。掘進(jìn)過程整機(jī)位姿偏差有圖2所示的3種情況。

圖2 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)偏差

在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體右上、右下、左上方三處分別安裝激光測距儀1、2、3，測量車體距離巷道右側(cè)煤壁(a、b)以及巷道左側(cè)煤壁的距離(c)。其中激光測距儀1與激光測距儀2光斑間距為l。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)左右輪速度不一出現(xiàn)橫滾角α?xí)r(圖2左)，通過公式(1):

即可計(jì)算出橫滾角α的值。

當(dāng)車體出現(xiàn)橫向位移時(圖2中)，通過公式(2):

即可計(jì)算出橫向位移δ的值。

若車體姿態(tài)情況復(fù)雜，既有橫滾角α又出現(xiàn)橫向位移δ時(圖2右)，可通過式(1)橫滾角α，再將 a、c的值經(jīng)過角度換算后代入式(2)即可得出橫向位移δ。

2.2 截割頭位置定位

截割頭相對于掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的位置也是重點(diǎn)監(jiān)測對象之一。

截割頭對于車體位置可描述為:

其中，α1:截割頭相對與掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的水平擺角;β1:截割頭相對于掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的垂直擺角。

截割頭位姿定位可通過兩個平面投影關(guān)系來確定。從而將角度關(guān)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)來表達(dá)。

圖3 截割頭垂直運(yùn)動模型與截割頭水平擺動模型

如圖3左所示，掘進(jìn)機(jī)截割頭垂直擺動時，升降油缸伸縮引起的桿長由L變化為L+△。由幾何投影關(guān)系知須同時滿足:

求出yv值，考慮到回轉(zhuǎn)點(diǎn)到截割頭距離，設(shè)為h，則截割頭的高度(距離水平線的監(jiān)控值)H為:

如圖3右所示，掘進(jìn)機(jī)截割頭水平擺動時，回轉(zhuǎn)油缸伸縮引起的桿長由L變化為L+△。由幾何投影關(guān)系知滿足:

求出yh值，即為截割頭的水平轉(zhuǎn)動位置坐標(biāo)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件由輸入、輸出單元、PLC以及上位機(jī)組成，如圖4所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控站主要包括監(jiān)控主機(jī)(上位機(jī))、PLCM1和操作臺三大硬件組成單元。操作臺是操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的主要人機(jī)接口。PLC-M1包括1臺CPU224XP、1個 EM221 8點(diǎn)DI輸入模塊以及1個EM221 16點(diǎn)DI輸入模塊負(fù)責(zé)對操作臺的各項(xiàng)操作進(jìn)行響應(yīng)，并通過通信電纜與現(xiàn)場電氣控制箱內(nèi)的PLC-S2、PLC-S3、低壓電氣箱內(nèi)的PLC-S1進(jìn)行實(shí)時通訊，通訊協(xié)議遵循PROFIBUS總線協(xié)議。監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)與PLC-M1進(jìn)行通訊，對相關(guān)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)信息進(jìn)行讀取并通過組態(tài)軟件在顯示屏上進(jìn)行可視化顯示。

圖4 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)硬件組成圖

低壓電氣箱部分主要負(fù)責(zé)對掘進(jìn)機(jī)主動力油泵電機(jī)、截割電機(jī)以及轉(zhuǎn)載電機(jī)進(jìn)行控制、檢測和保護(hù)。主要包括 PLC-S1控制系統(tǒng)(1臺 CPU224XP，4個EM231 AI模塊)、電壓、電流傳感器、繼電器和多芯插座等，低壓電氣箱外殼嵌有一塊LED顯示屏與PLCS1相連接，顯示各電機(jī)狀態(tài)參數(shù)。

電氣控制箱部分負(fù)責(zé)對遙控系統(tǒng)的現(xiàn)場終端進(jìn)行傳感器信號采集處理、液壓系統(tǒng)的控制指令輸入、遠(yuǎn)程上位機(jī)的操作命令響應(yīng)。主要由以下元器件組成:(1)PLC224XP-S2、PLC224XP-S3、信息處理及控制;(2)4個EM235 AI/AO模塊、9個EM232 AO模塊用于采集傳感器模擬信號以及輸出電壓信號控制放大卡;(3)20塊電磁比例閥信號放大卡，用于控制電磁比例閥，進(jìn)而控制油缸和馬達(dá)動作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC編程環(huán)境采用STEP7-MicroWIN編程軟件，該軟件與PLC同屬于西門子公司，連接通信簡易，并具有現(xiàn)場監(jiān)控PLC以及在線調(diào)試功能，為后期調(diào)試提供了方便。

(1)模塊化設(shè)計(jì):PLC-M1主要包括操作面板開關(guān)采集模塊、手動模塊、一鍵啟動模塊、放大卡操作模塊、截割頭初始位模塊，以及與PLC-S1、S2、S3通訊模塊，是整個系統(tǒng)的控制中心。

PLC-S1主要為電機(jī)保護(hù)以及啟停邏輯控制，其程序如圖5所示。

圖5 電機(jī)啟動流程圖

(2)工藝流程:開機(jī)時PLC首先檢測系統(tǒng)是否存在故障，當(dāng)各傳感器返回值正常，確認(rèn)掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)無故障后，閉合系統(tǒng)主回路。按下警鈴，警鈴響3～8s可啟動油泵電機(jī)。油泵電機(jī)開啟后即可對各電磁閥進(jìn)行相應(yīng)控制。再次按下警鈴3～8s之后可開啟截割電機(jī)。轉(zhuǎn)載電機(jī)可隨時啟動。

PLC-S2、PLC-S3程序主要為輸出電壓信號控制放大卡，進(jìn)而控制掘進(jìn)機(jī)各油缸和馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)動作。同時PLC-S3還接收機(jī)體上的各傳感器信號，處理后通過通信提交給PLC-M1。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，即可對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行有效的操作和控制。

4.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

由于操作掘進(jìn)機(jī)時，司機(jī)位于遠(yuǎn)距離操作室內(nèi)，故需要遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使得司機(jī)能夠?qū)崟r監(jiān)控到掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)。

狀態(tài)監(jiān)控畫面由Labview編寫，主要顯示掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)以及對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行部分參數(shù)設(shè)定。其中狀態(tài)參數(shù)主要包括，電網(wǎng)電壓、3臺電機(jī)(油泵電機(jī)、截割電機(jī)、轉(zhuǎn)載電機(jī))電流和故障情況、截割頭動作和位置、車身姿態(tài)及控制閥油壓等信息，見圖6。

圖6 上位機(jī)畫面

5 結(jié)束語

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)通過使用可編程控制器(PLC)與遠(yuǎn)程嵌入式工控機(jī)組成上、下位機(jī)式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了操作者(司機(jī))遠(yuǎn)距離有線控制操作掘進(jìn)機(jī)完成全部巷道掘進(jìn)、采煤工作，有效地提升了采掘工作安全性與截割效率，改善了操作人員工作環(huán)境，減少人員傷害事故，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際掘進(jìn)機(jī)上，運(yùn)行狀態(tài)良好。

［1］馬丁.西門子PLC常用模塊與工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［2］程玉華.西門子S7-200工程應(yīng)用實(shí)例分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］高俊嶺，歐陽名三，朱成杰.新型掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(10):96-99.

［4］毛君，吳常田，謝苗.淺談懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展及趨勢［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2007，5(2):240-242.

［5］張宏強(qiáng)，賈存良，等.基于PLC的掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動化，2009(11):106-108.

［6］SIEMENS AG.SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC System Handbook［Z］.2004.

［7］朱耀忠.電動機(jī)與電力拖動［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［8］Masakazu Haga，Watanabe Hiroshi，Kazuo Fujishima.Digging control system for hydraulic excavator［J］.Mechtronics，2001，11(6):665-676.

［9］Mao Jun，Wu Chang-tian，Xie Miao.Advances and trends on boom-type excavators［J］.Chinese Journal of Constrution Machinary，2007，5(2):240-242.

［10］Li Xiao-huo.Study of dynamic behaviour of horizontal-axial-roadheader as transverse cutting［J］.Chinese Journal of Constrution Machinary，2005，3(1):73-75.

［11］Das M Taylan，Dülger L Canan.Mathematical modelling，simulation and experimental verification of a scara robot［J］.Simulation Modelling Practice and Theory，2005，13(3):257-271.

［12］Li Ke，Mannan M A，Xu Mingqian，et al.Electro-hydraulic proportional control of twin-cylinder hydraulic elevators［J］.Control Engineering Practice，2001，9(4):367-373.

［13］姚伯威，孫銳.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［14］李人厚.智能控制理論和方法［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999:33-35.