王亞東 田立勇 李 勝 謝廣峰

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司 河北 灤縣 063700;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦,河北 遵化 064200)

生產(chǎn)安全歷來受到人們的關(guān)注，并且隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，更加受到人們的重視，與此同時(shí)提高生產(chǎn)安全的技術(shù)也獲得了廣泛的發(fā)展。井下鏟運(yùn)機(jī)無線遙控系統(tǒng)就是隨著通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。井下采礦歷來是危險(xiǎn)程度較高的作業(yè)，尤其是進(jìn)入礦房鏟取礦石的過程。在鏟取礦石的過程中，爆破后的礦石會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，而礦石的移動(dòng)則對(duì)于鏟運(yùn)機(jī)及其駕駛員產(chǎn)生極大的安全威脅。如果采用遙控系統(tǒng)控制鏟運(yùn)機(jī)，操作人員可以不用隨鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入礦房，在礦房外面操作鏟運(yùn)機(jī)即可完成鏟料作業(yè)。使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，這無疑在很大程度上保證了操作人員的安全。遙控操作系統(tǒng)屬于視距內(nèi)作業(yè)，鏟運(yùn)機(jī)改造起來相對(duì)簡單，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，沒有網(wǎng)絡(luò)延遲，實(shí)時(shí)性好，工作可靠，投入低見效快?？梢燥@著地提高安全效益，并可以在一定程度上提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 硬件部分

遙控操作系統(tǒng)主要由2部分組成：其一為遙控器，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令，顯示車輛及遙控器的狀態(tài)信息。其二為車載控制器，負(fù)責(zé)接收遙控器及車載手柄、按鈕發(fā)出的命令，并將接收到的命令進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制。同時(shí)其兼具車輛狀態(tài)的監(jiān)督及連鎖保護(hù)，防止錯(cuò)誤的操作對(duì)車輛造成損害。

1.1 遙控器

遙控器主要由以下幾部分組成：①操作部分，包括操作手柄、按鈕、換擋開關(guān)、撥動(dòng)開關(guān)；②顯示報(bào)警部分，包括1個(gè)OLED顯示模塊及1個(gè)蜂鳴器；③無線收發(fā)部分，包括1個(gè)無線收發(fā)模塊及其天線；④電源部分，包括電池、DC-DC電源模塊、電壓模擬量輸出部分；⑤核心控制部分，包括1個(gè)核心控制板。

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 遙控器結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字量的輸入主要集中在操作部分，其中的按鈕、撥動(dòng)開關(guān)等部件采用按鍵掃描程序讀取其開關(guān)狀態(tài)。模擬量的輸入主要為操作手柄及電源電壓的輸出，電壓輸出范圍0～3.3 V。模擬量的輸入采用AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行掃描讀取。核心控制器與無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)交換是通過串口實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的收發(fā)采用DMA控制器控制，提高了數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠度并減輕了CPU的工作量。電源部分負(fù)責(zé)為其余部分提供合適的工作電壓。

1.2 車載控制器

車載控制器主要由以下部分組成：①IO部分，主要包括傳感器、車載控制手柄、電子油門、開關(guān)等數(shù)字模擬量輸入及電磁閥、變矩器、燈、喇叭等的控制輸出。② CAN通信接口，CAN通信接口作為預(yù)留端口，可以與其他CAN通信設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)功能的拓展。③無線收發(fā)部分，包括無線收發(fā)模塊及其配套天線。④電源部分，主要包括DC-DC電源模塊、電壓模擬量輸出，電池采用原車自帶的蓄電池。⑤核心控制部分，系為ARM處理器的最小核心系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 車載控制器結(jié)構(gòu)框圖

IO部分是車載控制器與鏟運(yùn)機(jī)交互的信息接口。負(fù)責(zé)采集機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、缸蓋溫度、蓄電池電壓、發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)、皮帶斷裂、回油堵塞、蓄能器壓力等信息，控制轉(zhuǎn)向、鏟斗裝卸料、鏟臂升降、熄火、剎車、駐車等電磁閥及喇叭、燈、油門等設(shè)備的動(dòng)作。IO部分同樣可以采集車載控制手柄、電子油門、開關(guān)按鈕等信息，使得鏟運(yùn)機(jī)不光能夠?qū)崿F(xiàn)遙控控制，也可以本地操作。IO部分是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的部分。控制核心一方面根據(jù)傳感器采集到的車輛狀態(tài)信息、通信狀態(tài)信息，產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)志位。另一方面接收控制命令，解析命令，并與車輛控制策略及車輛狀態(tài)對(duì)比產(chǎn)生正確的輸出。

2 軟件部分

2.1 遙控器

遙控器主程序的工作流程如圖3所示。

圖3 遙控器主程序流程

圖3中初始化程序?qū)崿F(xiàn)GPIO、DMA、USART、SPI等端口功能的配置，自檢程序主要檢查手柄的位置是否處于中間的位置，如果不是則停止運(yùn)行并發(fā)出警告。OLED程序?qū)崿F(xiàn)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的OLED顯示。按鍵掃描程序掃描按鍵的開合狀態(tài)并消除抖動(dòng)的干擾。

圖4中有2個(gè)中斷子程序：DMA1-ADC1通道中斷子程序和DMA1-USART2發(fā)送通道中斷子程序。DMA1-ADC1通道中斷子程序是在ADC1掃描端口、完成ADC轉(zhuǎn)換、DMA控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，DMA- ADC1觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸完成中斷，清除中斷標(biāo)志位。在判斷自檢結(jié)束的前提下，DMA1-ADC1通道中斷子程序啟動(dòng)開啟DMA1-USART2發(fā)送通道發(fā)送數(shù)據(jù)。DMA1-USART2通道發(fā)送完畢后觸發(fā)發(fā)送完畢的中斷關(guān)閉DMA1-USART2發(fā)送通道。如果沒有關(guān)閉的這一個(gè)過程，數(shù)據(jù)將不停地發(fā)送。這2個(gè)中斷子程序相互配合完成了模擬量數(shù)據(jù)采集，控制命令的發(fā)送。

圖4 DMA中斷程序

圖5中DMA1-USART2發(fā)送通道開啟USART2空閑中斷子程序的作用主要有2方面：一是在DMA-USART接收通道接收的數(shù)據(jù)完整時(shí)對(duì)整幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，以判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，正確后即可使用；二是在DMA-USART接收通道接收的數(shù)據(jù)不完整時(shí)，重置DMA-USART接收通道的計(jì)數(shù)器，以確保下一幀數(shù)據(jù)能夠正常接收，這是一個(gè)自我糾正的程序。

圖5 USART2 空閑中斷子程序

2.2 車載控制器

圖6是車載控制器的主要程序流程圖。

圖6 車載控制器主要程序流程

定時(shí)器中斷子程序作為一個(gè)監(jiān)視程序，獨(dú)立于主程序。當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)在規(guī)定的時(shí)間處理完畢。運(yùn)算處理程序把接收到的控制信息，依據(jù)控制策略、車輛狀態(tài)、輸出形式轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一放到輸出緩存器中，最后由輸出程序進(jìn)行統(tǒng)一輸出。

車載控制器同樣具有遙控器中所列的中斷程序，以便完成模擬量采集、通信數(shù)據(jù)幀的收發(fā)等功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)先應(yīng)用于井下鏟運(yùn)機(jī)，由于我們改造的鏟運(yùn)機(jī)本身是機(jī)械操控的，所以需要對(duì)其進(jìn)行電控系統(tǒng)改造，將機(jī)械控制的閥門改造成電磁控制的閥門，并根據(jù)需要增加一些傳感器，如轉(zhuǎn)速傳感器，軸編碼器等。車載控制器采集車輛傳感器的信息，依據(jù)傳感器的狀態(tài)及遙控器信息或車載控制手柄的信息控制車輛的運(yùn)行。車輛有2種運(yùn)行模式，一是遙控模式，在視距范圍內(nèi)通過在車外操縱遙控器來控制車輛作業(yè)；二是本地控制模式，人在車內(nèi)通過車上的控制手柄來控制車輛的運(yùn)行。遙控模式適合鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入危險(xiǎn)程度高的處所作業(yè)，如礦房內(nèi)，當(dāng)車輛退出危險(xiǎn)處所后，操作人員上車作業(yè)。這樣既保證了人員的安全，也保證了操控的靈活高效。

對(duì)于更加先進(jìn)的電控系統(tǒng)鏟運(yùn)機(jī)，可以將輸出控制、信息采集與原有系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)，遙控作業(yè)采用本遙控系統(tǒng)，本地作業(yè)可采用原有的操控系統(tǒng)，改造的工作量會(huì)更小一些。

4 結(jié) 論

該遙控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，工作穩(wěn)定可靠，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的控制。在礦房外操控鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入礦房鏟取礦石，運(yùn)至礦房外面；切換到本地操作，駕駛車輛行進(jìn)至溜井卸料處，將礦石卸入溜井之中，再駕駛回到礦房外，依次循環(huán)往復(fù)。該系統(tǒng)改造投入小、見效快、建設(shè)周期短，對(duì)于復(fù)雜的地下環(huán)境尤為適合，可以在最大程度上保障人身安全的前提下，提高作業(yè)的效率。

[1] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Du Chunlei.ARM Architecture and Programming[M].Beijing:Tsinghua University Press,2003.

[2] 宋 巖，譯.Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

Song Yan translation.Cortex-M3 Authoritative Guide[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2009.

[3] 蒙博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

Meng Boyu.STM32 Self-study Notes[M].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2012.

[4] 馮新宇.ARM Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)與編程[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2017.

Feng Xinyu.ARM Cortex-M3 Architecture and Programming[M].2nd Edit.Beijing:Tsinghua University Press，2017.

[5] 黃志凌.一種裝載機(jī)的無線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2011,28(2):235-242.

Huang Zhiling.Design of wireless remote control system in loaders[J].Journal of Mechanical & Electrical Engineering,2011,28(2):235-242.

[6] 何 宏.基于單片機(jī)的工業(yè)無線遙控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2016(5):513-516.

He Hong.Industrial remote control system based on MCU[J].Control and Instruments in Chemical Industry,2016(5):513-516.

[7] 李 枳.無線遙控地下鏟運(yùn)機(jī)的發(fā)展及液壓系統(tǒng)的改進(jìn)[J].冶金設(shè)備,2008(2):54-57.

Li Zhi.Reform on hydraulic system and development of radio remote controlled LHD[J].Metallurgical Equipment,2008(2):54-57.

[8] 楊 超.基于CAN總線的地下鏟運(yùn)機(jī)遙控系統(tǒng)的研究[J].礦山機(jī)械,2011,39(3):30-32.

Yang Chao.Research on remote control system for underground scrapers based on CAN bus[J].Mining & Processing Equipment,2011,39(3):30-32.