李江斌

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下綜掘工作面的核心設(shè)備，集截割、裝載、運(yùn)輸、行走等功能與一體，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道掘進(jìn)工作。掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，粉塵、瓦斯以及機(jī)體本身時(shí)刻威脅掘進(jìn)機(jī)司機(jī)生命安全。隨著綜掘工作面智能化、信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，綜掘巷道環(huán)境監(jiān)測(cè)、巷道成型技術(shù)日趨成熟，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制成為可能。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)即完成掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程方向控制、動(dòng)作控制以及斷面成型，提高掘進(jìn)效率、優(yōu)化工作特性、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，為實(shí)現(xiàn)綜掘工作面的少人化、無人化提供條件[1-2]。德國DBT等公司將控制切割面成型及方向?qū)Ш较到y(tǒng)因公與掘進(jìn)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了行駛角度控制、切割面成型、位置檢測(cè)等功能；奧地利公司采用激光束、光電傳感器等設(shè)備捕獲掘進(jìn)機(jī)截割臂位置參數(shù)，并成功在AM65、AM75型掘進(jìn)機(jī)中使用；國內(nèi)的鄭州煤機(jī)、佳木斯煤機(jī)、易聯(lián)創(chuàng)安等企業(yè)將電液控制技術(shù)、遙控技術(shù)、可視化技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制并在AM-50型掘進(jìn)機(jī)上應(yīng)用，可在距離25 m位置對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3-5]。筆者采用DSP與CPLD相結(jié)合的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，保證掘進(jìn)機(jī)司機(jī)安全、健康工作。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率、降低掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)量、改善掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的工作環(huán)境、保證掘進(jìn)機(jī)司機(jī)身心安全，為掘進(jìn)機(jī)的智能化、無人化設(shè)計(jì)提供一種解決思路。

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)原理

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出動(dòng)作指令，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的模塊解析、處理后直接控制真實(shí)掘進(jìn)機(jī)；安裝在真實(shí)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的傳感器器周期性采集數(shù)據(jù)并傳送至PLC控制器系統(tǒng)模塊，經(jīng)該模塊A/D轉(zhuǎn)換、閾值判斷后發(fā)送給掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。在掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中，需建立掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制模型，依據(jù)該控制模型進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)顯示，并完成邏輯控制功能；掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解運(yùn)算用于對(duì)掘進(jìn)機(jī)位姿、截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并判斷截割頭、位姿的下一個(gè)狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

選用DSP2812+CPLD作為掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，DSP通過CAN總線通訊接收慣導(dǎo)數(shù)據(jù)以及其他輔助數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算處理后獲取掘進(jìn)機(jī)位姿、截割頭軌跡、伸縮油缸位移、截割臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息[6]，通過D/A通道輸出電流進(jìn)行控制掘進(jìn)機(jī)電液比例閥，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。為保證掘進(jìn)機(jī)沿巷道方向掘進(jìn)，利用激光定位原理，對(duì)獲取的巷道圖像進(jìn)行處理，利用激光光斑識(shí)別算法、激光光斑跟蹤算法實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)的俯仰角和滾動(dòng)角，根據(jù)激光光束實(shí)時(shí)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)的水平方位角，并以此控制掘進(jìn)機(jī)沿該方向掘進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)的DSP2812 模擬量端口分配表如表1所列。

表1 DSP2812 模擬量端口分配表

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)與PLC控制系統(tǒng)系統(tǒng)模塊以CAN總線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互，通訊協(xié)議如表2所列。采用29位擴(kuò)展幀格式，通訊連接ID為0x18EF7010-0x18EF7017，內(nèi)容中的功能碼為0x01時(shí)為報(bào)文開始標(biāo)志；0x02表示讀取操作；0x03表示寫入操作；0x04表示報(bào)警；0x07表示報(bào)文結(jié)束。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制，在其他ID上傳送的核心數(shù)據(jù)有掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿信息、截割參數(shù)、電磁閥信息以及報(bào)警BIT圖等。

表2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)與控制系統(tǒng)CAN總線通訊協(xié)議

3.2 線程設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)軟件基于Microsoft Visual Studio以及QT開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)定義的PLC控制系統(tǒng)模塊與監(jiān)控平臺(tái)CAN總線通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)的獲取、顯示、存儲(chǔ)以及控制[7-9]。為提高監(jiān)控平臺(tái)對(duì)控制指令響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)多線程編程方案，如圖2所示，啟動(dòng)主線程用于監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)更新；啟動(dòng)輔助線程1用于處理解析CAN總線通訊數(shù)據(jù)；啟動(dòng)輔助線程2用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。三線程并發(fā)執(zhí)行且可進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和共享。

圖2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)多線程設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證。

試驗(yàn)時(shí)所需的設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、懸臂式掘進(jìn)機(jī)、PLC控制系統(tǒng)模塊、傳感器、電源以及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)等。選用EBZ220懸臂式掘進(jìn)機(jī)并按照1:4比例簡(jiǎn)化制造代替真實(shí)掘進(jìn)機(jī)[10]，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身適當(dāng)位置安裝超聲波、壓力、流量、溫度、位移傳感器，同時(shí)安裝陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。圖3所示為掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)控制器，圖4所示為監(jiān)控平臺(tái)主界面。

圖3 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器 圖4 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

(1) 截割頭擺角驗(yàn)證 由掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器控制截割臂擺動(dòng)，旋轉(zhuǎn)編碼器周期性采集截割頭的水平擺角并對(duì)擺角的實(shí)際值、測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成表1所示。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割頭擺角的實(shí)際值與測(cè)量值誤差評(píng)價(jià)該遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的控制精度。由表3可知，截割頭擺角誤差精度在±0.68°之內(nèi)。

表3 懸臂式EBZ220掘進(jìn)機(jī)截割頭擺角測(cè)量數(shù)據(jù)/(°)

(2) 自動(dòng)截割功能驗(yàn)證 由掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制器按下“自動(dòng)截割”功能鍵后，掘進(jìn)機(jī)開始自動(dòng)截割過程，其實(shí)際截割軌跡與理論軌跡效果如圖所示，其中直線為理論截割軌跡，曲線為實(shí)際截割軌跡。由圖5可知，經(jīng)過遠(yuǎn)程控制平臺(tái)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割時(shí)效果較好。

圖5 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制截割軌跡

5 結(jié) 語

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下綜掘工作面的重要設(shè)備，隨著煤礦智能化、信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程智能控制成為亟需解決的問題。文中設(shè)計(jì)智能型掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，通過CAN總線通訊可將遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的控制指令實(shí)時(shí)發(fā)送給掘進(jìn)機(jī)PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的行走、截割頭運(yùn)動(dòng)、截割臂控制以及自動(dòng)截割等功能，減輕了掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供健康、安全的勞動(dòng)環(huán)境。