劉小龍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)物資供銷分公司， 山西 介休 032000）

0 引言

當(dāng)前我國煤礦采掘機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷提高，對(duì)于綜采綜掘設(shè)備的要求也越來越高，尤其是巷道綜掘機(jī)，需要具備較高的可靠性、較低的故障率以及精度效率方面的雙保障。尤其是對(duì)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)來說，在我國井工煤礦的裝備率越來越高，是掘進(jìn)工作面當(dāng)之無愧的核心設(shè)備，但由于掘進(jìn)工作面較差的工況條件以及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的普及應(yīng)用還存在較大的缺陷，主要表現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制技術(shù)雖然逐步推廣應(yīng)用，但在應(yīng)用的實(shí)效性以及對(duì)安全生產(chǎn)工作的裨益方面還存在較大不足，還沒有發(fā)揮出監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)有的能力[1-3]。針對(duì)我國在用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套懸臂式掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，促進(jìn)該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控需求

懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)具備監(jiān)控和控制兩項(xiàng)最為基礎(chǔ)的功能，具體來說，在實(shí)施全方位監(jiān)控方面，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集、分析、記錄并進(jìn)行屏顯，還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能：可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各個(gè)操作動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制；可實(shí)施監(jiān)測、采集設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，分析各視角狀態(tài)，與周圍環(huán)境參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，作出相應(yīng)的操作提示；可動(dòng)態(tài)實(shí)施數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與顯示；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、曲線生成；可實(shí)時(shí)進(jìn)行聲光信號(hào)報(bào)警及語音喊話；具有較高的可靠性、較低的故障率，具備故障診斷及自我保護(hù)功能。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件結(jié)構(gòu)搭建

根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由集控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、操作軟件及終端數(shù)據(jù)采集器、控制器等組成，具體到硬件結(jié)構(gòu)搭建方面，如圖1 所示，電控箱及PCC 可編程計(jì)算機(jī)處于核心位置，PCC 是該系統(tǒng)的控制中樞，用以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各項(xiàng)動(dòng)作的控制及完成，設(shè)計(jì)選用貝加萊X20 系列PCC；通過以太網(wǎng)，與主工控機(jī)、副工控機(jī)相連，主副工控機(jī)的設(shè)計(jì)通過貝加萊OPC 與PCC 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，兩個(gè)工控機(jī)既相互分工，又可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及控制切換，當(dāng)主工控機(jī)因故障無法工作時(shí)，副工控機(jī)可臨時(shí)獲得系統(tǒng)控制權(quán)，確保系統(tǒng)功能不中斷；主工控機(jī)連接錄像機(jī)及數(shù)據(jù)采集器，通過高清攝像頭及超聲波測距傳感器獲得前段數(shù)據(jù)用以分析及控制；電控箱還接入傾角傳感器、激光測距儀、油壓傳感器等，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得馬達(dá)轉(zhuǎn)速、馬達(dá)轉(zhuǎn)矩、截割電機(jī)轉(zhuǎn)速、工作電流、工作電壓以及功率等參數(shù)值，通過分析，并與工況環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行監(jiān)控及控制指令制定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制功能[4-5]。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件搭建示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

綜合考慮軟件的功能達(dá)成、性能要求、研發(fā)成本、使用維護(hù)等問題，設(shè)計(jì)以PCC 可編程計(jì)算機(jī)為核心，在RS232 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，直接通過軟件來驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同步實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸、分析及存儲(chǔ)，在此過程中，依據(jù)Access 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并動(dòng)態(tài)更新補(bǔ)充數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)互通與共享。同時(shí)，組態(tài)軟件能夠驅(qū)動(dòng)雙工控機(jī)，雙工控機(jī)之間也按照TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行信息互通，可互相訪問各自采集的數(shù)據(jù)、變量信息，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，當(dāng)主工控機(jī)發(fā)生故障時(shí)，副工控機(jī)可沿用現(xiàn)有的工作狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行工作。

在系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)搭建好后，需要建立合理的人機(jī)交互界面，方便操作使用，其原則一是在滿足基本的功能需求后，盡可能簡單，方便使用，降低內(nèi)存及功耗；二是應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)工程學(xué)，界面設(shè)計(jì)及操作設(shè)計(jì)符合常規(guī)操作習(xí)慣；三是遠(yuǎn)程控制可設(shè)計(jì)為遙控手柄，并與系統(tǒng)相連通，直接通過操作手柄來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

首先必須搭建起試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2 所示。掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)按照要求配備油壓、傾角、超聲等傳感器以及激光測距儀等裝備，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，并接入終端傳感器模塊、急停模塊、報(bào)警模塊等，經(jīng)過監(jiān)控主機(jī)地址分配、終端數(shù)據(jù)采集上傳、通信傳輸、故障信息研判、故障精準(zhǔn)定位等各項(xiàng)試驗(yàn)，系統(tǒng)具備了實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的條件。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全程監(jiān)控，記錄掘進(jìn)試驗(yàn)過程中的全部數(shù)據(jù)，同時(shí)，可遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)實(shí)施各種操作動(dòng)作。

圖2 搭建試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)測試可通過驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)位姿的精度來開展，試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果表明：

一是系統(tǒng)的通信時(shí)間方面，測試方法是由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)向掘進(jìn)機(jī)發(fā)送1 組數(shù)據(jù)，然后接收返回的指令數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)量的情況下，通信時(shí)間控制在0.01 s 級(jí)別，可以滿足控制需求。

二是掘進(jìn)機(jī)位姿精度方面，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的俯仰角、翻滾角、偏距、偏向角等參數(shù)進(jìn)行測量，每隔5 m 測量一個(gè)數(shù)據(jù)，以俯仰角數(shù)據(jù)為例，其精度情況如表1 所示。在9 個(gè)不同的測量距離，與參考的俯仰角對(duì)比，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的誤差值最大為0.013°，精度比例為99.82%，誤差值最小為0.007°，精度比例為99.90%。誤差值控制在0.1°以內(nèi)，精度控制在99%以上。其他參數(shù)精度值也均遠(yuǎn)超既定標(biāo)準(zhǔn)，證明設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)嵤┱莆站蜻M(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)掘進(jìn)機(jī)實(shí)施精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程控制。

表1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)俯仰角數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)特點(diǎn)及遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)由集控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、操作軟件及終端數(shù)據(jù)采集器、控制器等構(gòu)成系統(tǒng)，具體到硬件結(jié)構(gòu)搭建方面，核心部件是電控箱及PCC 可編程計(jì)算機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各項(xiàng)動(dòng)作的控制及完成。

2）綜合考慮軟件的功能達(dá)成、性能要求、研發(fā)成本、使用維護(hù)等問題，對(duì)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，操作方便，性能優(yōu)異。

3）通過驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)位姿的精度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠很好地完成全流程的在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程控制，通信時(shí)間控制在0.01 s 級(jí)別，俯仰角誤差值控制在0.1°以內(nèi)，精度控制在99%以上，其他參數(shù)均可以滿足掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測精度、定位定向及糾偏輔助等功能需求，達(dá)到了預(yù)期目的，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。