李雨明

（陽煤集團(tuán)三礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心， 山西 陽泉 045000）

引言

無極繩連續(xù)牽引車作為煤炭綜采工作面輔助運(yùn)輸系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便以及效率高等優(yōu)勢[1]。因此，無極繩連續(xù)牽引車被廣泛應(yīng)用于工作面的輔助運(yùn)輸中。為進(jìn)一步提升無極繩車的運(yùn)輸效率，將遠(yuǎn)程控制策略引入其控制系統(tǒng)中。

1 無極繩車存在問題

無極繩車作為綜采工作面的關(guān)鍵輔助運(yùn)輸設(shè)備，其能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求基于單速、雙速以及無級(jí)調(diào)速對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行控制。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求無極繩車運(yùn)輸重型設(shè)備時(shí)，其速度應(yīng)控制在0.5～1.5 m/s之間；當(dāng)運(yùn)輸物料時(shí)，其速度應(yīng)控制在1.5～2 m/s之間；當(dāng)運(yùn)輸人員時(shí)，其速度應(yīng)控制在2～2.5 m/s之間[2]。因此，需實(shí)時(shí)掌握無極繩的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其速度進(jìn)行控制，以確保其滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

在大量積累生產(chǎn)數(shù)據(jù)并對(duì)現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，無極繩車存在以下問題：

1）當(dāng)前控制系統(tǒng)無法準(zhǔn)確獲取無極繩車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；

2）目前應(yīng)用于工作面的液壓式過速釋放器的制造工藝及安裝相對(duì)復(fù)雜，無法在相對(duì)惡劣的綜采工作面中推廣應(yīng)用；

3）作業(yè)人員無法實(shí)現(xiàn)對(duì)無極繩車的遠(yuǎn)程控制。因此，當(dāng)前急需一套無極繩車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無極繩車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制的功能。

2 無極繩車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)無極繩的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，特設(shè)計(jì)如圖1所示的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

如圖1所示，無極繩車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，且上位機(jī)與下位機(jī)之間是基于無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)其相互之間的通信。上位機(jī)主要功能為對(duì)無極繩車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、記錄及遠(yuǎn)程控制；下位機(jī)的主要功能是對(duì)無極繩車速度、油壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將所采集到數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳至上位機(jī)。上位機(jī)得到無極繩車的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)后，基單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，從而得出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)制動(dòng)裝置的控制或通過上位機(jī)發(fā)出報(bào)警等[3]。

本系統(tǒng)通過上位機(jī)與下位機(jī)之間的無線通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)無極繩車的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制功能。

圖1 無極繩車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

無極繩遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心硬件為采集設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的傳感器和對(duì)所采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理的單片機(jī)。本節(jié)將對(duì)無極繩車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)傳感器、單片機(jī)的選型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 傳感器的選型與安裝

根據(jù)控制需求，系統(tǒng)需要液壓傳感器對(duì)油壓信號(hào)進(jìn)行采集，需速度傳感器對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行采集。綜合考慮綜采工作面惡劣的生產(chǎn)環(huán)境及功耗、電壓等級(jí)等參數(shù)，針對(duì)速度傳感器本系統(tǒng)選用霍爾測速傳感器[4]。霍爾傳速度傳感器的安裝示意圖如下頁圖2所示。

圖2 霍爾速度傳感器安裝示意圖

霍爾速度傳感器安裝于無極繩車車輪的外邊緣，每個(gè)車輪安裝3個(gè)霍爾速度傳感器，即每兩個(gè)霍爾速度傳感器之間的夾角為120°?；谏鲜霭惭b方式，不僅能夠準(zhǔn)確測得無極繩車的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，還能夠準(zhǔn)確判斷無極繩車的運(yùn)行方向。

3.2 單片機(jī)的選型設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為無極繩遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心，其對(duì)所采集到數(shù)據(jù)的處理和分析速度、精度直接決定系統(tǒng)對(duì)無極繩車控制的響應(yīng)速度和控制精度。中斷響應(yīng)頻率作為選擇單片機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，該參數(shù)的計(jì)算如式（1）所示:

式中：Δt為單片機(jī)的中斷響應(yīng)頻率；D為無極繩車車輪的直徑，v為無極繩車的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。本文所研究無極繩車車輪的直徑D=300 mm，根據(jù)無極繩車的生產(chǎn)任務(wù)，其運(yùn)行的最高速度vmax=10 m/s。

經(jīng)計(jì)算可得，中斷響應(yīng)頻率的最小值Δtmin=31.4 ms。經(jīng)查閱相關(guān)手冊(cè)可知，選用AVR系列的單片機(jī)即可滿足控制要求。

鑒于無極繩遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用于綜采工作面，因此在該系統(tǒng)的各類電路均需按照本質(zhì)安全電路的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)備應(yīng)按照隔爆要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)能夠在采煤工作面穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

4 無極繩遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

4.1 程序流程圖的設(shè)計(jì)

無極繩遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)所采用的核心控制器為單片機(jī)，因此其軟件設(shè)計(jì)時(shí)是基于單片機(jī)的專用編程軟件完成的。根據(jù)控制要求，單片機(jī)需實(shí)現(xiàn)以下功能：對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理；對(duì)無極繩運(yùn)行參數(shù)的故障判斷；根據(jù)分析結(jié)果得出控制信號(hào)，并將控制系統(tǒng)通過無線通信方式傳輸至下位機(jī)[5]。根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)如圖3所示的程序流程圖。

4.2 上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

鑒于LabVIEW軟件功能豐富且易開發(fā)，本文基于LabVIEW軟件對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)控制需求，上位機(jī)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）實(shí)時(shí)顯示無極繩車的運(yùn)行速度，并對(duì)速度進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)；

2）當(dāng)無極繩車運(yùn)行遇到故障時(shí)，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警；

3）上位機(jī)與下位機(jī)通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)程序流程圖

基于LabVIEW所設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)操作系統(tǒng)界面

5 結(jié)語

無極繩連續(xù)牽引車為應(yīng)用于綜采工作面最為廣泛的輔助運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)輸效率直接決定綜采工作面煤炭的產(chǎn)量及產(chǎn)煤效率。為進(jìn)一步提升無極繩連續(xù)牽引車的自動(dòng)化程度，提升其運(yùn)輸效率及安全性，實(shí)現(xiàn)無極繩車遠(yuǎn)程控制功能是必須的。本文基于液壓傳感器、霍爾速度傳感器以及單片機(jī)等硬件設(shè)計(jì)了無極繩車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示無極繩車的運(yùn)行速度，并對(duì)無極繩車在實(shí)際運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的抖動(dòng)和過速現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測，一旦出現(xiàn)故障系統(tǒng)可發(fā)出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的有效保護(hù)。