掘進機遠程智能監控平臺設計應用*

李江斌

(晉能控股煤業集團趙莊煤業，山西 長治 046000)

0 引 言

掘進機是煤礦井下綜掘工作面的核心設備，集截割、裝載、運輸、行走等功能與一體，廣泛應用于煤礦巷道掘進工作。掘進機工作環境惡劣，粉塵、瓦斯以及機體本身時刻威脅掘進機司機生命安全。隨著綜掘工作面智能化、信息化建設的不斷推進，綜掘巷道環境監測、巷道成型技術日趨成熟，掘進機遠程控制成為可能。掘進機遠程智能監控平臺即完成掘進機的遠程方向控制、動作控制以及斷面成型，提高掘進效率、優化工作特性、延長機械設備使用壽命，為實現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導航系統因公與掘進機控制，實現了行駛角度控制、切割面成型、位置檢測等功能；奧地利公司采用激光束、光電傳感器等設備捕獲掘進機截割臂位置參數，并成功在AM65、AM75型掘進機中使用；國內的鄭州煤機、佳木斯煤機、易聯創安等企業將電液控制技術、遙控技術、可視化技術應用于掘進機遠程控制并在AM-50型掘進機上應用，可在距離25 m位置對掘進機進行遠程控制[3-5]。筆者采用DSP與CPLD相結合的掘進機遠程控制技術，實現對真實掘進機的遠程控制，保證掘進機司機安全、健康工作。

1 系統總體方案設計

掘進機遠程智能監控平臺設計的目標是可實現掘進機的遠程監視和遠程控制，提高掘進機的掘進效率、降低掘進機司機的勞動量、改善掘進機司機的工作環境、保證掘進機司機身心安全，為掘進機的智能化、無人化設計提供一種解決思路。

掘進機遠程智能監控平臺總體方案設計原理如圖1所示。

圖1 掘進機遠程智能監控平臺總體方案設計原理

遠程監控平臺發出動作指令，經過PLC控制系統的模塊解析、處理后直接控制真實掘進機；安裝在真實掘進機機身的傳感器器周期性采集數據并傳送至PLC控制器系統模塊，經該模塊A/D轉換、閾值判斷后發送給掘進機遠程監控平臺。在掘進機遠程監控平臺中，需建立掘進機遠程控制模型，依據該控制模型進行數據、狀態顯示，并完成邏輯控制功能；掘進機運動學正反解運算用于對掘進機位姿、截割頭運動軌跡等數據進行運算并判斷截割頭、位姿的下一個狀態。

2 硬件設計

選用DSP2812+CPLD作為掘進機遠程控制系統，DSP通過CAN總線通訊接收慣導數據以及其他輔助數據，進行運算處理后獲取掘進機位姿、截割頭軌跡、伸縮油缸位移、截割臂運動狀態等信息[6]，通過D/A通道輸出電流進行控制掘進機電液比例閥，實現掘進機的遠程控制。為保證掘進機沿巷道方向掘進，利用激光定位原理，對獲取的巷道圖像進行處理，利用激光光斑識別算法、激光光斑跟蹤算法實時采集掘進機的俯仰角和滾動角，根據激光光束實時測量掘進機的水平方位角，并以此控制掘進機沿該方向掘進。掘進機遠程智能監控平臺的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 軟件設計

3.1 CAN總線通訊協議設計

掘進機遠程監控平臺與PLC控制系統系統模塊以CAN總線通訊進行數據傳輸與交互，通訊協議如表2所列。采用29位擴展幀格式，通訊連接ID為0x18EF7010-0x18EF7017，內容中的功能碼為0x01時為報文開始標志；0x02表示讀取操作；0x03表示寫入操作；0x04表示報警；0x07表示報文結束。為實現掘進機遠程控制，在其他ID上傳送的核心數據有掘進機機身位姿信息、截割參數、電磁閥信息以及報警BIT圖等。

表2 掘進機遠程監控平臺與控制系統CAN總線通訊協議

3.2 線程設計

掘進機遠程智能監控平臺軟件基于Microsoft Visual Studio以及QT開發平臺實現，根據定義的PLC控制系統模塊與監控平臺CAN總線通訊協議實現對掘進機運行工況數據的獲取、顯示、存儲以及控制[7-9]。為提高監控平臺對控制指令響應的實時性，設計多線程編程方案，如圖2所示，啟動主線程用于監控平臺數據更新；啟動輔助線程1用于處理解析CAN總線通訊數據；啟動輔助線程2用于存儲數據。三線程并發執行且可進行數據交互和共享。

圖2 掘進機遠程智能監控平臺軟件系統多線程設計

4 系統驗證

在實驗室環境對設計并實現的掘進機遠程智能監控平臺進行系統調試與驗證。

試驗時所需的設備包括計算機、懸臂式掘進機、PLC控制系統模塊、傳感器、電源以及遠程監控平臺系統等。選用EBZ220懸臂式掘進機并按照1:4比例簡化制造代替真實掘進機[10]，在掘進機機身適當位置安裝超聲波、壓力、流量、溫度、位移傳感器，同時安裝陀螺儀慣性導航系統。圖3所示為掘進機遠程監控平臺控制器，圖4所示為監控平臺主界面。

圖3 掘進機遠程控制器 圖4 掘進機遠程監控平臺

(1) 截割頭擺角驗證 由掘進機遠程控制器控制截割臂擺動，旋轉編碼器周期性采集截割頭的水平擺角并對擺角的實際值、測量值進行統計，形成表1所示。根據掘進機截割頭擺角的實際值與測量值誤差評價該遠程監控平臺的控制精度。由表3可知，截割頭擺角誤差精度在±0.68°之內。

表3 懸臂式EBZ220掘進機截割頭擺角測量數據/(°)

(2) 自動截割功能驗證 由掘進機遠程控制器按下“自動截割”功能鍵后，掘進機開始自動截割過程，其實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，曲線為實際截割軌跡。由圖5可知，經過遠程控制平臺進行掘進機自動截割時效果較好。

圖5 掘進機遠程控制截割軌跡

5 結 語

掘進機是煤礦井下綜掘工作面的重要設備，隨著煤礦智能化、信息化進程的不斷推進，掘進機的遠程智能控制成為亟需解決的問題。文中設計智能型掘進機遠程控制平臺，通過CAN總線通訊可將遠程控制平臺的控制指令實時發送給掘進機PLC控制系統，實現掘進機的行走、截割頭運動、截割臂控制以及自動截割等功能，減輕了掘進機司機的勞動強度，提供健康、安全的勞動環境。