盧　軍，高先和

(合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程系，合肥　230601)

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遙控掘進(jìn)機主從控制系統(tǒng)設(shè)計

盧軍，高先和

(合肥學(xué)院 電子信息與電氣工程系，合肥230601)

摘要：掘進(jìn)機現(xiàn)場綜采環(huán)境惡劣，操作難度大，掘進(jìn)技術(shù)直接影響生產(chǎn)效率和安全?；谏鲜霭l(fā)展需要提出了遙控掘進(jìn)機主從控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，遙控掘進(jìn)機主從機控制系統(tǒng)具有掘進(jìn)機綜合保護(hù)控制、ZigBee無線傳輸、圖像傳輸、遙控掘進(jìn)和失控保護(hù)功能，為提高綜采效率和保證安全生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機；綜合保護(hù)；ZigBee；圖像傳輸

0引言

掘進(jìn)技術(shù)直接影響著掘進(jìn)綜采的效率和安全，但由于現(xiàn)場工作環(huán)境極其惡劣，操作難度大，目前國內(nèi)外所設(shè)計的掘進(jìn)機控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，系統(tǒng)功能具有一定的局限性，擴(kuò)展新功能時需外擴(kuò)硬件設(shè)備，使系統(tǒng)硬件設(shè)計復(fù)雜，而在此基礎(chǔ)上，增加了設(shè)計成本，同時也增加了系統(tǒng)故障點，不利于系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定運行。

課題所提出的遙控掘進(jìn)機控制系統(tǒng)采用主從機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主機為控制設(shè)備，通過ZigBee通信發(fā)送控制指令和綜采數(shù)據(jù)，從機為掘進(jìn)機控制核心，實現(xiàn)掘進(jìn)機數(shù)據(jù)采集、綜合控制、圖像采集和失控保護(hù)功能，可實現(xiàn)現(xiàn)場遙控掘進(jìn)操作。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1總體設(shè)計

遙控掘進(jìn)機主從控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司32位低功耗高性能處理器，主機由STM32F407最小系統(tǒng)、人機界面模塊、ZigBee模塊和U盤模塊組成；從機由STM32F207最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集綜合控制模塊和圖像采集模塊組成，主從機通過ZigBee通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，現(xiàn)場工作人員通過主機設(shè)備控制掘進(jìn)機進(jìn)行遙控綜采，從而可以避免依靠工人現(xiàn)場直接操作掘進(jìn)機進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　遙控掘進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2ZigBee通信模塊設(shè)計

主從機通信通過ZigBee模塊SZ05-ADV實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，視距通信距離可達(dá)2000m。主機人機界面采用7寸TFT屏，用于顯示掘進(jìn)機工作狀態(tài)信息及從機圖像信息，U盤模塊主要用于存儲掘進(jìn)機工作故障信息及回傳圖像數(shù)據(jù)。主從機ZigBee模塊電路如圖2所示，采用TTL電平連接，RX1與STM32的串口1 TX引腳連接，TX1與STM32串口1 RX引腳連接，引腳RUN、NET、ALM和SLP分別為ZigBee模塊運行指示燈、網(wǎng)絡(luò)工作指示燈、告警指示燈和休眠控制引腳。

圖2　主從機SZ05-ADV電路

1.3MT9D111圖像采集模塊設(shè)計

從機圖像采集模塊使用130萬像素MT9D111圖像傳感器，自帶JPEG壓縮編碼功能。圖像傳感器與從機通過FIFO模塊AL422B連接傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)主機發(fā)送指令后從機圖像數(shù)據(jù)從DMA通道直接傳輸至串口通過ZigBee模塊發(fā)送到主機顯示并保存至U盤，便于工程技術(shù)人員及時了解掘進(jìn)機作業(yè)情況和巷道周圍環(huán)境。

1.4數(shù)據(jù)采集綜合控制模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集綜合控制模塊以STM32F103為主控芯片，通過RS232與從機實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制命令傳輸。數(shù)據(jù)采集通過電流互感器、熱敏元件、漏電閉鎖監(jiān)測實現(xiàn)對主電路過載、過熱、短路、斷相、漏電及控制電路絕緣進(jìn)行監(jiān)視，實現(xiàn)對電機主回路電流、主回路漏電閉鎖信號、電機過熱監(jiān)測信號、油溫超限和220V/36V控制回路對地絕緣電阻監(jiān)測信號進(jìn)行綜合處理和控制，同時具有失控保護(hù)功能，當(dāng)主機與從機通信故障或從機與數(shù)據(jù)采集和綜合控制模塊通信故障時進(jìn)入失控保護(hù)模式。

漏電閉鎖保護(hù)是電機在啟動前對電機繞組及部分供電線路進(jìn)行絕緣檢測，當(dāng)被檢測部分的絕緣電阻值大于規(guī)定值時，才允許電機正常啟動；如果絕緣電阻值小于規(guī)定值，電機不能啟動，實現(xiàn)漏電閉鎖保護(hù)，當(dāng)絕緣電阻恢復(fù)到一定值時，漏電閉鎖電路自動解鎖，如表1所示。36V與220V控制回路絕緣電阻值低于表1動作電阻值，此時斷開控制回路電源，完成絕緣保護(hù)功能。

表1　漏電閉鎖及絕緣檢測

當(dāng)電機出現(xiàn)8倍或8倍以上額定值的短路電流時，實現(xiàn)短路保護(hù)，當(dāng)故障消失后，必須斷電才能恢復(fù)。電機在出現(xiàn)斷相或三相嚴(yán)重不平衡時，通過電流互感器采集三相電流，實現(xiàn)斷相或不平衡保護(hù)，當(dāng)故障消失后，必須斷電才能恢復(fù)。當(dāng)電機工作電流達(dá)到額定值1.2倍以上時，控制電機交流接觸器斷開，實現(xiàn)對電機過載保護(hù)。掘進(jìn)機短路、缺相和過載保護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2　短路、缺相、過載保護(hù)

電機過熱保護(hù)是利用正溫度系數(shù)熱敏電阻檢測電機繞組溫度，當(dāng)溫度達(dá)到130～135℃時，熱敏電阻阻值劇增，通過檢測熱敏電阻阻值實現(xiàn)電機過熱保護(hù)。當(dāng)電機繞組溫度檢測電路出現(xiàn)短路時，可實現(xiàn)檢測電路短路保護(hù)，保護(hù)參數(shù)如表3所示。

表3　過熱保護(hù)

2軟件設(shè)計

遙控掘進(jìn)機主從控制系統(tǒng)由主機和從機構(gòu)成，圖3為主機程序流程圖，主要用于作出控制決策、掘進(jìn)機工作狀態(tài)顯示、圖像顯示、故障存儲查詢以及ZigBee通信；圖4為從機程序流程圖，主要用于讀取數(shù)據(jù)采集與綜合控制模塊數(shù)據(jù)、采集現(xiàn)場圖像、陀螺自動定位和ZigBee通信。

遙控掘進(jìn)機主從控制系統(tǒng)基于傳統(tǒng)掘進(jìn)機基礎(chǔ)，采用主從式結(jié)構(gòu)，與目前國內(nèi)外掘進(jìn)機控制系統(tǒng)相比，在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加圖像傳輸、可利用主機實現(xiàn)遙控操作，同時所有數(shù)據(jù)保存至主機U盤，可以實時監(jiān)控和觀測掘進(jìn)機工作狀態(tài)及巷道周圍環(huán)境狀況。系統(tǒng)所設(shè)計從機預(yù)留陀螺定位接口，為后期研發(fā)智能綜采多功能新型掘進(jìn)機奠定基礎(chǔ)，推廣和應(yīng)用前景廣闊。

圖3　主機程序流程圖

圖4　從機程序流程圖

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯:李軍]

Design of Master-Slave Control System of Remote Boring Machine

LU Jun，GAO Xian-he

(Electronic Information And Electrical Engineering，Hefei University, Hefei 230601, China)

Abstract:Boring Machine at the scene of fully mechanized conditions are poor, operates difficulty, tunneling technology directly affects the production efficiency and safety. The design of remote Boring Machine of master-slave control system based on the above development needs, it has comprehensive protection and control, ZigBee wireless transmission, image transmission, remote control driving and out of control protection function, to improve the efficiency of fully mechanized and guarantee safe production provides strong technical support.

Key words:boring machine; comprehensive protection; zigBee; image transmissio

中圖分類號：TD421.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-162X(2016)01-0096-04

作者簡介：盧軍(1985—)，男，安徽廬江人，合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系助理實驗師，碩士；研究方向：智能控制、嵌入式應(yīng)用。

基金項目：：安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2015jyxm310)基金資助。

收稿日期：2015-10-09修回日期：2015-12-22