錢虹光

（華晉焦煤有限責任公司沙曲二號煤礦安監(jiān)處，山西 柳林 033300）

引言

煤礦井下綜掘工作面使用的掘進機以懸臂式掘進機為主，如EBZ160、EBZ220、EBZ450 等，控制系統(tǒng)核心都采用可編程邏輯控制器并擴展所需的功能模塊完成對掘進機的方向、截割、位姿等控制[1]。為適應綜掘工作面智能化、信息化開采需要，國內(nèi)外煤礦科研院所和單位針對懸臂式掘進機控制平臺進行優(yōu)化設計，選用EPEC 控制器取代傳統(tǒng)的西門子S7-200 PLC 控制器，降低了硬件接線復雜度以及維護維修成本[2]；采用模塊化、標準化設計理念，基于倍福控制器實現(xiàn)了掘進機控制平臺的優(yōu)化設計[3]，降低了開發(fā)周期，提升了掘進機的控制性能；基于PCC、智能控制以及CAN 總線通信技術實現(xiàn)了掘進機沿軌跡截割以及自適應截割的功能，提升了掘進機的智能化水平[4]。三一公司的掘進機控制平臺采用KW-MultiProg 軟件PLC 控制器進行二次開發(fā)，將控制掘進機截割路徑、位姿變化、行走等的控制算法嵌入掘進機底層算法庫，優(yōu)化了掘進機控制平臺性能。文章基于Inter-Control 控制器，實現(xiàn)懸臂式掘進機控制平臺的優(yōu)化設計。

1 系統(tǒng)設計

懸臂式掘進機控制平臺系統(tǒng)設計如圖1 所示，核心為InterControl 控制器，并由擴展的數(shù)字量輸入接口、模擬量輸入接口、PWM接口以及通信接口共同完成掘進機控制功能。該掘進機為四回路掘進機，包含轉(zhuǎn)載電機回路、泵站電機回路、低速截割電機回路、高速截割電機回路，對應由接觸器KM1-MK4 控制高壓供電，由TA1～TA4 以及電流變送器1～4 實時監(jiān)測輸入電流值?？刂破脚_需能近距離或者遠距離完成掘進機懸臂伸縮、懸臂升降、懸臂擺動動作；使得掘進機截割頭能夠按軌跡、自適應、自動完成截割任務；同時還能夠控制掘進機左右履帶行走，及完成前進、后退、停止等動作；當左右履帶張緊力不夠時，能夠通過履帶張緊裝置完成履帶張緊動作。為能夠準確、實時的掌握掘進機運行狀態(tài)，以CAN 總線通信模式與工業(yè)交換機、工業(yè)顯示器、本安操作箱、遙控接收器等設備連接，完成掘進機控制平臺的實時監(jiān)測、精準控制。

圖1 懸臂式掘進機控制平臺系統(tǒng)設計

懸臂式掘進機控制平臺既可以通過本安操作箱以有線方式完成控制，也可以通過遙控設備完成近距離、遠距離無線遙控，遙控控制原理如下頁圖2 所示。當進行懸臂式掘進機近距離或者遠距離遙控時，遙控發(fā)射器發(fā)出控制命令后，遙控接收器完成接收并進行信號轉(zhuǎn)換，傳送至系統(tǒng)核心處理器，經(jīng)濾波、降噪、邏輯分析后傳送至掘進機制動機構驅(qū)動掘進機，同時在工業(yè)顯示屏上顯示掘進機控制狀態(tài)。

圖2 懸臂式掘進機無線遙控原理框圖

2 硬件設計

懸臂式掘進機控制平臺硬件設計部分的重點是控制器，在選擇控制器時需綜合考慮控制器性能，如系統(tǒng)響應時間、處理速度、支持的通信模式、支持的DI/DO/AI/AO 等。經(jīng)綜合考慮，懸臂式掘進機控制平臺核心CPU 選用InterControl 控制器，該控制器具備8 路PWM 信號處理接口、32 路可復用的輸入/輸出接口，同時具備CAN 總線、CanOpen 總線、TCP/IP 等多種通信接口，滿足掘進機控制平臺硬件需求。該控制器內(nèi)核為英飛凌的TC1796 32 位CPU，響應頻率為150 MHz，數(shù)據(jù)處理周期（MIPS）為195，滿足掘進機控制平臺控制精度需求。以四回路懸臂式掘進機控制平臺為例，InterControl 控制器接口分配方案如表1 所示。

表1 四回路懸臂式掘進機控制平臺硬件地址分配

3 軟件設計

根據(jù)懸臂式掘進機控制平臺系統(tǒng)設計以及硬件地址分配進行軟件系統(tǒng)設計，根據(jù)控制平臺需完成的功能，將軟件系統(tǒng)分為過程初始化及自檢模塊、保護模塊、截割控制模塊、機身位姿控制模塊、遠/近距離控制模塊、慣性導航模塊以及故障報警模塊。保護模塊用于實現(xiàn)對掘進機系統(tǒng)的保護，如漏電閉鎖、過載、過流、過熱、接觸器粘連、過壓/欠壓、瓦斯超限、急停以及油溫油位保護等；截割控制模塊用于實現(xiàn)對掘進機截割頭的控制，如截割路徑規(guī)劃、截割閉環(huán)控制、自適應截割、截割姿態(tài)測量等；機身位姿控制模塊用于實現(xiàn)對掘進機機身位置、姿態(tài)的自適應調(diào)整；慣性導航模塊用于定位掘進機的實時位置，為截割控制、機身位姿控制提供精準的位置信息；故障報警模塊用于提示并警示掘進機將要或者已經(jīng)出現(xiàn)的故障，發(fā)出聲光語音報警。懸臂式掘進機控制平臺軟件系統(tǒng)基于CodeSys3.5 平臺采用ST+結(jié)構化編程語言實現(xiàn)，控制平臺軟件主流程如圖3 所示。

圖3 懸臂式掘進機控制平臺軟件流程

4 試驗驗證

為保證設計的懸臂式掘進機控制平臺現(xiàn)場使用的可靠性和安全性，在試驗室對設計的控制平臺進行模擬試驗。根據(jù)懸臂式掘進機控制平臺要求在試驗室進行硬件配置和軟件設計，使用的遙控發(fā)生器如圖4所示，同時搭建完成的操作面板、功能開關、狀態(tài)指示燈、旋鈕等，如圖5 所示。

圖4 掘進機用遙控發(fā)射器

圖5 掘進機控制平臺試驗現(xiàn)場

4.1 遠控截割電機電流測試

對掘進機進行遠程控制時，核心控制器以控制多路換向閥測試電磁鐵線圈電流方式實現(xiàn)對截割電機伸縮、回轉(zhuǎn)控制。通過掘進機控制平臺對核心控制器輸出的PWM信號等效電流進行實時監(jiān)測，并使用萬用表測量電磁閥回路電流，將時間、電流統(tǒng)計數(shù)據(jù)記錄為下頁表2。

表2 掘進機截割電機伸縮、回轉(zhuǎn)電磁閥反饋電流數(shù)據(jù)

由表2 可知，按照文中方案對掘進機控制平臺進行優(yōu)化后，截割電機回轉(zhuǎn)控制回路、伸縮控制回路的電流值經(jīng)1 400 s 動態(tài)調(diào)節(jié)后穩(wěn)定與系統(tǒng)電流設定值相接近，提高了平臺對回轉(zhuǎn)、伸縮比例換向閥的控制精度，有利于提升掘進機控制性能。

4.2 遙控裝置測試

利用掘進機遙控發(fā)射器對掘進機進行遙控控制，分別完成遙控啟動或者截割、油泵、除塵等電機；利用遙控手柄控制掘進機前進、后退；驗證遙控急停、遙控復位以及語音報警等功能。測試結(jié)果表明，掘進機遙控控制效果較好，遙控控制信號穩(wěn)定。

4.3 其他測試

利用該掘進機控制平臺試驗，依次完成系統(tǒng)上電、近距離遙控操作、遠距離遙控操作、遠程操作并試驗各操作模式之間的無縫切換；對掘進機截割系統(tǒng)進行軌跡跟蹤試驗、自動截割試驗以及自適應截割試驗；對掘進機機身位姿進行自適應調(diào)整試驗；設計運載電機回路漏電閉鎖故障，觸發(fā)故障報警模塊進行聲光語音報警；使用遙控器搖桿控制掘進機左右履帶進行前進、后退以及轉(zhuǎn)向試驗。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的掘進機控制平臺運行穩(wěn)定，較好的實現(xiàn)了對掘進機的遠程遙控以及就地控制。

5 結(jié)論

以四回路懸臂式掘進機為研究對象，對原控制平臺系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，并得出以下結(jié)論：

1）以InterControl 控制器為核心，通過PWM接口直接對掘進機的懸臂升降、懸臂擺動、懸臂伸縮以及履帶行走進行控制，縮短了系統(tǒng)響應時間，提升了控制平臺的控制精度；

2）利用遙控接收器、遙控發(fā)射器實現(xiàn)了掘進機遠距離、近距離直接控制，控制效果良好；

3）基于CodeSys3.5 平臺實現(xiàn)了掘進機控制平臺的軟件設計，并可在線實時升級，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。