掘進機可視化運行監控系統的研究

趙汗青，王立新，李海燕，臧建所

ZHAO Han-qing,WANG Li-xin,LI Hai-yan,ZANG Jian-suo

（黑龍江科技學院 機械學院，哈爾濱 150027）

0 引言

隨著礦山機械化作業水平的不斷提高，采用懸臂式掘進機進行巷道的開采已是一項非常有效的開采手段[1]。然而大多數懸臂式掘進機仍是手工操作[2]，由于在巷道開采操作過程中粉塵比較大，在實際操作時由1名司機和2名輔助工人來共同完成，司機負責掘進機的操作，另外兩名工作人員負責巷道在掘進時左右兩側的超挖和欠挖的看護工作，司機和工作人員勞動強度較大，舒適性較差，勞動生產率低，而且施工質量和施工安全很大程度上取決于人為因素，因事故而傷亡的人數也較多[3]，因此急需加強掘進機截割過程的智能化研究[4]。這里對掘進機的截割過程進行可視化監控，司機可以通過操作屏看到截割頭的位置，無需輔助工人的幫助即可完成巷道的截割工作，降低了工作人員的勞動強度，提高了掘進機的施工質量和工作效率。

1 監控系統的組成及硬件設計

1.1 斷面成形原理與監控系統的組成

懸臂式掘進機在巷道的掘進工程中是通過截割頭的旋轉和截割臂的上下左右擺動來實現航道的斷面的成形控制[5]。截割臂的上下擺動是由一對升降油缸控制的，且在升降過程中擺動角度一致[6,7]，因此，可以在其中一個油缸的轉角處安裝角位移傳感器進行擺臂的升降角度檢測，從而確定截割頭在截割斷面中的上下位置。截割臂的左右擺動是由一對水平油缸推動回轉臺左右擺動，從而帶動截割臂的左右擺動， 因此可以通過測量旋轉臺的角度確定截割臂的左右擺動的大小，將角位移傳感器安裝在旋轉臺處。掘進機截割監控系統的組成如圖1所示。

圖1 掘進機監控系統組成

1.2 硬件接口電路

從圖1可以看出，為確定掘進機在斷面成形過程中采用兩角位移傳感器，這里采用增量式碼盤。增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相； Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。A、B兩組脈沖相位差 ，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉。采用如圖2所示的方向辨別電路。

當光電編碼器順時針旋轉時，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發器輸出Q為高電平，為低電平，上面與非門打開，計數脈沖通過，進行加法計數，此時，下面與非門關閉，其輸出為高電平。當光電編碼器逆時針旋轉時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，B觸發器輸出Q為低電平，為高電平，上面與非門關閉，其輸出為高電平；此時，下面與非門打開，計數脈沖通過，進行減法計數。即當碼盤正向旋轉時，計數器增加，當碼盤反向旋轉時，計數器值減少，因此，可以通過減計數數值來確定截割臂實際旋轉的角度值。

圖2 碼盤接口辯向電路

2 軟件設計

2.1 監控系統軟件總體結構設計

為實現截割軌跡的可視化，本系統中采用Visual Basic 6.0可視化語言進行程序設計。Visual Basic是微軟公司推出的一種可視化、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，被公認為是編程效率較高的一種編程語言。本系統在軟件設計方面主要有可視化界面設計、數據采集與處理、數據的存儲、斷面超挖報警、使用幫助系統。斷面超挖報警是掘進機在斷面成形過程中出現超挖時，系統會發出聲光報警，提醒操作者。數據的存儲是為后續研究記憶截割以及分析數據做準備。幫助系統是為方便使用者設計的，對軟件的使用進行介紹。

2.2 截割工藝路線的形式

掘進機在開始截割工作時，首先利用工作機構深鎖裝置或開動履帶行走機構，使截割頭切入工作面煤（或巖）壁一定深度（截深），然后通過截割頭的水平擺動和垂直擺動，即可切割出所要求的巷道斷面形狀。斷面形狀有拱形、矩形和梯形。以截割梯形斷面為例進行說明，常用工作面的切割程序如圖3所示。

圖3（a）為常規切割程序，即從下向上按圖中所示的切割路線進行切割。為了減小截割時阻力，減小應力對截割頭的作用，以增加截割頭的使用壽命，可以采取圖3（b）、(c)的截割方式。圖3（b）從中間先向下切割，完成下部的斷面尺寸后，再從中間向上切割完成上半部分斷面的截割。圖3(c)為從中間按圖中扇面的形式切割，最后完成輪廓邊緣尺寸的修剪。圖3（d）所示的情形是煤巖分層的情形，先截割煤，后截割巖石，以減小巖石應力過大對機器造成損害。

2.3 超挖報警程序的設計

從圖3可以看出切割程序的形式各不相同，為簡化程序設計，減少運算工作量，采用了統一的方法控制斷面的極限尺寸，拋開截割工藝方式的限制。其程序框圖如圖4所示。

3 試驗研究

3.1 試驗系統組成

本實驗系統以EBZ100E懸臂式掘進機為原型，制作了掘進機的模型的進行了實驗研究，模型是按照1：10的比例制作。實驗裝置如圖5所示，包括掘進機模型、傳感器、計算機、PCI-1711L數據采集卡、PLCD-8710接口卡和相關的測試儀器。

3.2 程序的測試

由前面的程序設計生成執行文件，該試驗系統設計了常規的三種截割斷面形式，即梯形斷面、矩形斷面、拱形斷面?？梢愿鶕嶋H開采巷道的要求，選擇其中一種斷面截割形式。其中任何一種斷面斷面截割形式，都可以依據實際情況設置斷面的大小，如圖6所示。

圖3 截割工藝路線圖

圖4 數據采集程序框圖

圖5 實驗裝置圖

圖6 斷面開鑿形式

本系統的動態連接程序由兩個模塊組成，分別為drive.bas和global.bas，用來驅動程序和變臉的定義程序。系統的斷面成形監控畫面在圖5中可以看出。在監控系統的左部是監控系統的名稱，中間即主題部分，顯示截割過程的軌跡，在右側有很多輔助功能，共使用者參考，如截割斷面的面積大小，截割頭在時時截割過程中的坐標值顯示。由于現場光線條件等，這里設置了四種監控背景顏色，以適應實際現場條件的需要。當然，也可根據實際要求設置斷面的畫面顏色。

4 結束語

利用PCI總線技術，開發了以PC計算機為核心，以VB的可視化功能為技術手段的懸臂式掘進機運行監控系統。在設計過程中，采用模塊化設計思想，對掘進機的截割斷面形式、報警系統、數據存儲、截個監控畫面進行了設計。該系統可以降低操作人員的勞動強度，提高斷面成形的質量。

[1] 李建剛,毛君,李惟慷,等. 懸臂式掘進機仿形截割控制機理研究[J]. 遼寧工程技術大學學報,2009,28(4)： 621-624.

[2] 趙汗青. 基于C7-636的懸臂式掘進機截割過程可視化監控系統[J]. 工礦自動化,2008(6)： 16-18.

[3] 曲秀敏,等. PLC在國產重型掘進機電控系統中的應用[J]. 佳木斯大學學報(自然科學版),2003,3： 92-94.

[4] 李建剛,毛君,李惟慷. 基于MSP430F449單片機的掘進機器人懸臂轉角檢測[J]. 制造業自動化,2011,33(7)： 14-16.

[5] 穆晶,杜毅博,田劼,李睿,吳淼. 懸臂式掘進機截割斷面極限位置分析[J]. 工礦自動化,2011(10)： 67-69.

[6] 鄧國華. 基于激光導向器的懸臂式掘進機位置姿態自動測定方法[J]. 工礦自動化,2009(9)： 21-23.

[7] 趙學雷,杜向陽,屈小兵,李衛濤. 懸臂式掘進機自動糾偏技術研究[J]. 煤礦機械,2010,31(7)： 38-40.