基于嵌入式Linux平臺掘進機遠程監控系統

肖鐵鎖

摘 要:懸臂式掘進機遠程監控系統是實現綜掘面自動化的關鍵技術。該研究基于貝加萊公司的可編程計算機(PCC)、嵌入式工業監控計算機、Linux操作系統、CAN總線通訊的懸臂式掘進機遠程監控系統。通過對發行版Linux操作系統的內核重新編譯、文件系統定制和啟動配置構建了一套高性能的監控軟件平臺;在地面試驗和井下試驗表明:懸臂式掘進機遠程監控軟件具有運行穩定可靠、功能強大等特點,滿足現場控制要求。

關鍵詞:遠程監控Linux操作系統PCC嵌入式工業監控計算機

中圖分類號:TP2 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0006-01

現代煤礦采掘失調使綜掘關鍵技術的研究成為熱點,懸臂式掘進機作為煤巷綜掘核心裝備,掘進機是煤礦生產的重要裝備,主要用于巷道的挖掘,以布置采煤工作面。懸臂式巷道掘進機技術是發展綜合機械化掘進、提高掘進效率、保障安全生產、降低勞動強度的重要一環。國內外掘進機的重要發展方向是操作控制方式的自動化、智能化、信息化和數字化,逐漸發展為掘進機器人。近年來國內外正逐步深入對掘進機遠程控制技術及監測系統的研究,表明這是煤巷掘進大型裝備的必然發展趨勢。

1掘進機遠程監控系統組成與工作原理

懸臂式掘進機綜合遠程監控系統,結合計算機、自動控制、通信等信息科學的技術,完成懸臂式掘進機遠程控制。在掘進機截割作業時,工作人員通過該視頻畫面與懸臂式掘進機遠程監控軟件,可以確定掘進機當前的工作狀況,該監控軟件也可發出信號開、油泵啟、油泵停、自動截割、截割暫停、截割繼續、截割全停、復位、清屏控制指令,控制掘進機按照已定要求進行自動截割,此隔爆監控計算機為遠程監控系統的核心。總體來講,懸臂式掘進機遠程監控系統的總體結構:機載控制器PCC→CAN轉光纖模塊→光纖轉CAN模塊→隔爆監控計算機→顯示屏。

機載控制器PCC位于懸臂式掘進機機身,CAN轉光纖模塊將PCC中的掘進機運行參數信息轉化為光纖信號,通過光纖將信號傳到遠程,在遠程通過CAN轉光纖模塊將光纖信號轉化為CAN信號,通過CAN總線與隔爆監控計算機相連,實現對掘進機的遠程狀態監測和控制。井下隔爆監控計算機位于距掘進工作面相對安全區域,完成掘進作業操作人機交互功能。

2掘進機遠程監控系統硬件設計

2.1 機載控制器PCC

機載控制器采用貝加萊公司的2005系列PCC,PCC(Programmable Computer Controller)是一種可編程計算機控制系統,由CPU、I/O接口、電源、通信模塊等組成,PCC實現了系列化、模塊化、標準化的設計,使其具有設計安裝容易、調試周期短、維護簡單等特點。其所有的輸入輸出接口電路均采用光電隔離,可有效抑制外部干擾源對PCC的影響,適合應用于煤礦井下的惡劣環境。另外,PCC模塊品種豐富,通信接口完善,配置簡單,容易組網通信。將PCC安裝于掘進機機身的防爆腔內,各I/O口連接到相應的傳感器等輸入設備和電磁閥等執行機構,從而構成懸臂式掘進機基本電控系統。

PCC與隔爆監控計算機之間采用CAN通信方式,CAN通信具有抗干擾性強、實時性好等特點,適合于如井下等惡劣環境中進行數據傳輸。

2.2 隔爆監控計算機

為保證懸臂式掘進機遠程監控的實時性和可靠性,本項目研發基于PC/104的嵌入式隔爆監控工業控制計算機作為遠程控制主機。

遠程控制主機是懸臂式掘進機遠程監控系統的重要組成部分,需要監測懸臂式掘進機的工作狀態,控制懸臂式掘進機進行煤礦巷道掘進作業,同時還需具備同地面調度室計算機聯接通信的接口和能力,可通過井下以太網與井上調度室中的地面主機進行數據通信,從而實現在地面對懸臂式掘進機工作狀態的監視。其硬件結構如圖1所示。

控制模塊采用PC/104核心板,該核心板類似于普通電腦主板;存儲模塊采用1個80G的固態硬盤;輸入設備使用工業級觸摸板鍵盤;輸出設備主要為顯示設備;通訊模塊選用CSD擴展板,4個異步串行口、2個非智能CAN接口、1個8255兼容的I/O口和3個USB本安接口。

3掘進機遠程監控系統軟件設計

監控軟件運行于嵌入式Linux平臺,該平臺的健壯性是監控軟件健壯性的基礎,為了保證平臺的健壯性,對Linux操作系統進行定制,其具體方法如下。

首先,對Linux內核進行裁剪和重新編譯,使內核最大程度地適應硬件平臺,最優化地支持系統外部設備,并盡量減少對系統資源的占用,降低功耗;其次,對文件系統進行定制,保證文件系統的可靠性和小體積;最后,對系統啟動進行重新配置,精確定制需要啟動的服務和進程,從而保證系統的低資源占用和高效率。

掘進機遠程監控軟件主要用來監視和控制懸臂式掘進機的自動作業,實時數據采集并顯示掘進機設備的相關參數、工作狀態等信息;遠程控制掘進機的各種動作及機身各機構,控制掘進機進行固定形狀斷面巷道的自動掘進;實時在線顯示設備故障,并及時對工作狀態進行調整和報警功能,提供維修和保養建議

監控軟件為多進程同時運行,其主要進程模塊包括核心監控進程、顯示進程、CAN通信進程、以太網通信進程。

核心控制進程(MCS)負責數據分析和處理以及接受用戶操作命令,是整個監控軟件的核心;顯示進程(GP)任務是將需要顯示的數據通過界面呈現給用戶并接受用戶輸入指令;以太網通信進程(EP)用于控制以太網通信,主要功能是將從以太網中收到的數據傳送給MCS進程,同時將MCS發出的信號通過以太網發送;CAN通信進程(CP)用于控制CAN通信,主要功能是將CAN硬件收到的數據傳送給MCS進程,同時將MCS發出的控制命令通過CAN總線發送給機載控制器。

4結語

以機載控制器PCC與嵌入式隔爆監控計算機為主的懸臂式掘進機遠程監控系統通過大于500米的CAN總線監視和控制懸臂式掘進機進行自動作業,實時數據采集并顯示掘進機設備的相關運行參數、工作狀態等信息;控制掘進機進行固定形狀斷面巷道的自動掘進;實時在線分析設備故障,并及時對工作狀態進行調整和報警功能,提供維修和保養建議。