基于 UWB 的煤礦井下設備自動控制方法

陳偉崇，趙海偉，郭文孝

1國能榆林能源有限責任公司 陜西榆林 719000

2中國煤炭科工集團太原研究院 山西太原 030006

3山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

我國煤礦智能設備發展迅速，各種類型的煤礦機器人相繼涌現出來，通過協同控制可以形成減人、便于操控、降低勞動強度等多個優勢。但目前采掘工作面設備以單機控制為主，在多個設備同時動作時，需要多個操作者同時操作控制，或者由一個操作者對設備進行輪流操作，不能適應智能礦井的發展趨勢。單機操作時，無法及時對各設備的系統狀態進行評估，導致設備之間協調性差，工作效率低。同時多人兼顧配合，否則易產生堆煤、碰撞、甚至傷人事故。無線測距傳感器可實現煤礦設備自動順序控制，可以有效地避免此類事故發生，且設備之間進行閉鎖等邏輯控制，以防止無關人員進行誤操作。

1 系統的基本原理

煤礦設備自動控制系統 (Automatic Device Control System) 是指按照受控執行機構的預定動作順序，根據相應的步進條件，逐步實施的自動控制系統。受控裝置一般為煤礦機械設備，其動作順序不變或較為固定。在這個控制系統中，主信號主要來源于開關，其中包括接觸式或非接觸式行程開關、光電開關、簧片開關以及霍爾元件開關，而有時候也會將信號轉換元件如壓力繼電器或時間繼電器作為某些步進控制信號，以實現更精確的控制效果。

為了使順序控制系統可靠地工作，通常采用步進順序控制電路來實現。所謂階梯式順序控制，是指前一步必須通電且該步驟的階梯式主信號已經發出的情況下，控制系統的任何程序步驟的電源都必須被控制。對于煤礦機械來說，受控設備的每個階段的實施都取決于是否具有輸出信號的前一步，受控機械動作是否完成，以及指控系統的機械都是在這個階段實現。這個控制系統是緊密聯鎖的，即使步進開關的主信號元件出現故障或操作失誤，動作順序不會混亂。

UWB 技術是使用 1 GHz 以上頻率的無線通信技術。UWB 不使用正弦載波，而是使用用納秒級的窄脈沖傳輸數據。UWB 所占的頻譜范圍很大，其數據傳輸速率可以達每秒幾百兆比特以上。UWB 技術使用超寬基帶脈沖進行通信，主要用于軍用雷達、定位和低截獲率的通信系統中。2002 年 2 月，美國聯邦通信委員會發布了民用 UWB 設備使用頻譜和功率的初步規定。該規定中，在 3.1～10.6 GHz 頻段中傳輸數據帶寬大于 500 MHz 的通信系統稱為 UWB 系統。

UWB 測距的主要測距方法為雙向飛行時間法(TW-TOF，two way-time of flight) 每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。模塊 A 的發射機在其時間戳上的Ta1發射請求性質的脈沖信號；模塊 B 在Tb2時刻發射一個響應性質的信號，被模塊 A 在自己的時間戳Ta2時刻接收。由此可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離S[1-2]。

式中：c為光速，m/s。

1.1 硬件組成

協同控制系統基本單元主要由 E、F2 套電氣控制系統組成，如圖1 所示。電氣控制 E 主要包含操作箱、人機界面、傳感器、照明燈、變頻器、電動機、無線測距等設備；電氣控制 F 主要包含操作箱、人機界面、遙控器、傳感器、照明燈、無線測距、電動機、電磁閥等設備。電氣控制 F 保持基本靜止狀態，電氣控制 E 進行往返運動，兩者之間通過無線測距模塊進行信息互通。此協同控制系統的優勢在于結構簡單、維護成本低、便于改造。借助此系統可實現多個設備協同控制，對煤礦智能化發展具有實質性的提升。

圖1 協同控制系統組成Fig.1 Composition of cooperative control system

單臺設備必備元器件主要包括主控制器、RJ45網絡、CAN 通信、無線測距傳感器等。單機設備需支持 TCP/IP 協議或 CAN、CANopen 協議。以倍福 CX8050 控制器為例，主控制器 PLC 內存為 512 MB，配有 1 個 Ethernet 網絡接口，1 個 CAN 主站接口。PLC 程序執行周期為 20 ms，支持 RS-485或 TCP/IP 等通信協議。PCL 編程中，定義數組變量：UWB_Data 在讀寫寄存器初始地址為 0 的數組[0..7]，數據類型為 BYTE，將測距傳感器數據讀回，協議為 CANopen 通信協議，讀取頻率為 PLC 的刷新頻率，即 50 Hz。

與傳統通信技術相比，UWB 的主要特性是不需要使用傳統通信體制中的載波，而是利用具有納秒級的極窄脈沖傳輸數據，因此其頻譜范圍很大，從而攜帶更多的信息，尤其在抗多徑干擾及信息傳輸安全上具有先天優勢。

該測距傳感器為自研設備，無線測距傳感器額定工作電壓為 DC 24 V，工作電流≤ 0.30 A，測量范圍為 0.1～55.0 m，信號輸出為標準 CAN 協議。傳感器作為一種非接觸式測量，可用于測量相互之間的距離。兩個傳感器均在上電狀態時，通過互相測距，可將距離數據實時發送回 PLC 控制器[3]。

1.2 軟件設計

單臺設備流程如圖2 所示。單機系統中，在上電后系統首先進行自檢，自檢信號包括前后設備通信信號、自身傳感器信號、集中控制器信號等，所有信號均正常后將處于待機狀態，等待本機控制器命令下發或集中控制器集中控制命令下發。

圖2 單臺設備控制流程Fig.2 Single device control process

各單機設備在系統控制軟件運行過程中，向集中控制器發送自檢結果，集中控制器根據無線測距傳感器等多種技術參數為輸入量，建立設備運行狀態與強擾動環境中傳感器模糊關系模型，以系統行走、轉載等為輸出量，實現系統自主判斷、自主決策的目的。

在整個系統的使用過程中，由基于 UWB 技術的測距模塊對前后級設備進行實時測距。軟件中設置一個可調整的距離閾值，當檢測到前級設備距離到達閾值范圍內，后級設備在短暫延時后，執行設備運行指令，如泵站電動機啟動、運輸電動機啟動等，啟動時為防止對電網產生瞬間沖擊，影響整體控制系統，不同的執行動作需分布進行，每一步執行之后短暫延時，再繼續執行下一步。當前級設備與后級設備的距離超出設定閾值范圍后，后級設備一般會延時停止，延時時間可調。以上為一個完整循環[4]。

軟件設計中需考慮多種情況，對整體控制邏輯應形成閉環，防止出現特殊情況導致系統混亂，如當前級設備進入設定閾值范圍內后，后級設備在未完成執行所有動作的情況下，前級設備退出范圍閾值時，此時后級設備的運行狀態應立即中斷順序執行狀態，改為執行延時停止的狀態，由此可確保系統運行穩定。

2 電氣控制系統總體構成

2.1 電氣系統的構成

煤礦巷道維修設備的電氣控制系統主要涉及到主電控箱、驅動電動機、操作箱、遙控器、各類傳感器、照明燈等組件。

電氣控制系統的總體設計顯示了電氣部件之間通過 CANopen 協議進行通信和現場信號采集。道路維修設備電氣控制功能的最終實現取決于每個電氣部件的可靠運行[5]。

2.2 電氣系統的控制

該系統以 PLC 為控制器，以 CAN 協議嵌入式控制系統為基礎，實現電動機啟停控制，實時讀取傳感器數據，全面保護電動機，同時監測運行狀態。控制系統 CAN 總線拓撲結構如圖3 所示。

圖3 CANopen 總線結構Fig.3 CANopen bus structure

主控制器負責控制電動機，采集 I/O 端口和模擬量端口的數據，并通過 PWM 輸出控制電液比例閥的動作，并且人機界面可以實時顯示整個電控系統的工作狀態和設備運行參數。

遙控系統通過遙控接收機接收遙控發射機的控制信號并傳輸至總線，總線結點通過 CAN 網絡實現數據快速、可靠、穩定的傳輸[6]。

2.3 電氣系統的程序設計

主控制器和從控制器的編程軟件 TwinCAT 和CODESYS 符合 IEC 61131-3 國際標準，并提供多種編程語言。控制程序主要使用結構化語句編程語言(ST) 來實現各種功能 (Structure)。

控制系統程序包括主程序、CANopen 通信子程序、電液比例閥控制子程序、控制馬達子程序以及斷電保持子程序等。

作為 CANopen 主站的控制器，負責 CANopen 網絡的運維，對多個控制器之間的通信節點進行檢查和組建，配置網絡節點設備 OD (節點) 和節點站號，使從控制器開機至初始化，并將從屬控制器加入作為網絡從屬節點 (Control)。主節點監測 CANopen 總線上各節點的心跳消息，并端盤各個節點的通信狀態。每個導引消息從節點發送到主控制器，使主節點能夠判斷出每個從節點進入了預先工作狀態。主節點采用 PDO 信息的同步循環模式，實現雙方信息的雙向讀寫；PDO 信息在 CANopen 網絡上實現一對多數據的傳輸，PDO 信息在 CANopen 網絡上讀寫圖像地址區，每個節點可以根據圖像地址對自己需要的 PDO信息進行讀寫[7]。

主程序的 PWM 子程序調節從控制器的 PWM 輸出，以實現電流比例閥的控制目的。控制器將系統電壓、各主電路的工作電流、負載設備的溫度等參數傳輸至人機界面。從控制器內部程序操作，用于實現設備參數的動態監控，如每個動作液壓缸的位移和操作特性的提取。通過與試驗獲得的工況特性進行對比，為運行參數的優化匹配和控制系統的決策提供了依據。當電子控制系統發生故障時，控制器將實時存儲故障的時間和類型，通過人機界面上的故障代碼，可查看歷史故障信息，為用戶進行故障排除和設備維護提供幫助[8]。

3 基于 UWB 技術的煤礦應用情況

UWB 技術已在國家能源集團神東公司、陜煤集團等各礦井使用，如圖4 所示，配套設備為履帶式轉載破碎機 (以下簡稱破碎機，如圖5 所示)+久益 (環球) 梭車。在增加了 UWB 測距傳感器后，可減少破碎機處的操作司機。UWB 測距傳感器距離檢測范圍標準為 0.1～55 m，實測測距傳感器在 70 m 范圍內仍可有效測距。具體操作流程為：破碎機和梭車通過測距傳感器監測實際距離，對傳感器距離繼電器進行設置，根據實際需要將繼電器距離設置為 5～50 m。此處以 20 m 進行舉例，當梭車靠近破碎機時，測距傳感器距離繼電器在檢測到兩設備距離≤ 20 m 時，繼電器吸合。破碎機檢測到信號，通過短暫 100～200 ms 的防抖檢測，破碎機開始運行。破碎機首先進行語音報警，待語音報警結束后，啟動報警對應電動機。啟動之后，經過設定的延時之后，自動開始下一個動作報警，報警結束后，啟動報警對應的電動機或動作，直到完成所有設定動作。

圖4 UWB 技術在國家能源礦井使用Fig.4 UWB used in CHN Energy mines

圖5 履帶式轉載破碎機Fig.5 Transfer crusher with crawler

該技術的應用，可為一個掘進工作面至少減少1 個破碎機司機。因每日生產班掘進時，采用連采及其后配套工藝開采的巷道，對于破碎機沒有過多的行走動作需求，僅有破碎和運輸功能需求，工作條件簡單，控制程序固定化。使用本技術控制系統穩定，結構簡單，可靠性好。

4 結語

對煤炭生產單位來說，煤礦用履帶式轉載破碎機在國家能源集團神東公司各礦均有使用，在生產班環境復雜，設備繁多且工況惡劣的情況下，能減少一人則降低一個人的風險，對煤礦的安全生產具有重大意義。通過增加 UWB 測距傳感器，不僅減少井下工人數量，同時降低人工成本，減小工作強度。自動化作業的加入，可使產量精確計算，且在生產過程中無勞動疲勞、情緒化等情況。

對于設備生產單位來說，設備自動化程度高，可提高企業產品的市場競爭力，企業應該充分利用信息的透明化，提高產品質量、服務、價格等優勢，同時引入工業自動化設備，以降低生產成本，改善企業形象，增強企業在行業中的競爭力。