巷道懸臂式掘進機控制平臺研究

章俊

摘 要：為提高懸臂式掘進機控制平臺的智能化水平和運行效率，降低故障發生率，對原控制平臺進行優化設計。以Inter Control控制器為核心CPU，擴展脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）、通信以及DI/DO接口，對控制器局域網絡（Contrller Area Network，CAN）總線通信模式周期性采集掘進機的機身位姿、截割狀態、履帶行走等關鍵參數進行計算、邏輯處理，進而完成對掘進機的智能化、信息化控制。試驗結果表明，優化后的懸臂式掘進機控制平臺極大地提升了智能化控制水平，提高了掘進機的運行效率。

關鍵詞：InterControl控制器;CAN總線通信;控制平臺;遙控控制;掘進機

中圖分類號：TD632 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0073-03

Research on Control Platform of Cantilever Roadheader

ZHANG Jun

（Shanxi Baoli Pingshan Coal Industry Co.， Ltd.， Jincheng Shanxi 048205）

Abstract： In order to improve the intelligence level and operating efficiency of the control platform of the cantilever roadheader， and reduce the failure rate， the original control platform is optimized. Take Inter Control controller as the core CPU， expand PWM， communication and DI/DO interfaces， and periodically collect the key parameters of the roadheader's body pose， cutting state， crawler walking， etc. in the CAN bus communication mode， and perform calculations and logic processing. ， And then complete the intelligent and informatized control of the roadheader. The test results show that the optimized control platform of the cantilever roadheader greatly improves the level of intelligent control and improves the operating efficiency of the roadheader.

Keywords： InterControl controller;CAN bus communication;control platform;remote control;roadheader

煤礦井下綜掘工作面在用的掘進機以懸臂式掘進機為主，如EBZ160、EBZ220、EBZ450等，控制系統核心都采用可編程邏輯控制器并擴展所需的功能模塊完成對掘進機的方向、截割、位姿等控制[1]。為適應綜掘工作面智能化、信息化開采需要，國內外煤礦科研院所和單位針對懸臂式掘進機控制平臺進行優化設計。楊炳文等選用EPEC控制器取代傳統的西門子S7-200 PLC控制器，降低了硬件接線復雜度以及維護維修成本[2];滕麗麗等采用模塊化、標準化設計理念，基于倍福控制器實現了掘進機控制平臺的優化設計，降低了開發周期，提升了掘進機的控制性能[3];劉美俊等基于PCC、智能控制以及CAN總線通信技術實現了掘進機沿軌跡截割和自適應截割的功能，提升了掘進機的智能化水平[4];三一公司對掘進機控制平臺采用KW-MultiProg軟件PLC控制器進行二次開發，將控制掘進機截割路徑、位姿變化、行走等的控制算法嵌入掘進機底層算法庫，優化了掘進機控制平臺性能。本研究基于InterControl控制器，實現懸臂式掘進機控制平臺的優化設計。

1 系統設計

懸臂式掘進機控制平臺系統設計如圖1所示。核心為InterControl控制器，并由擴展的數字量輸入接口、模擬量輸入接口、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）接口以及通信接口共同實現掘進機控制功能。該掘進機為四回路掘進機，包含轉載電機回路、泵站電機回路、低速截割電機回路以及高速截割電機回路，對應由接觸器KM1-MK4控制高壓供電，由TA1-TA4和電流變送器1-4實時監測輸入電流值。控制平臺能近距離或者遠距離控制掘進機懸臂伸縮、懸臂升降、懸臂擺動等動作，使掘進機截割頭能夠按軌跡自動完成截割任務，還能夠控制掘進機左右履帶行走，完成前進、后退、停止等動作。當左右履帶張緊力不夠時，它能夠通過履帶張緊裝置完成履帶張緊調節。通過該控制平臺系統能夠準確、實時地掌握掘進機運行狀態，以控制器局域網絡（Contrller Area Network，CAN）總線通信模式與工業交換機、工業顯示器、本安操作箱、遙控接收器等設備連接，完成掘進機控制平臺的實時監測和精準控制[5-8]。

懸臂式掘進機控制平臺既可以通過本安操作箱以有線方式完成控制，也可以通過遙控設備完成近距離、遠距離無線遙控，遙控控制原理如圖2所示。當進行懸臂式掘進機近距離或者遠距離遙控時，遙控發射器發出控制命令后，遙控接收器完成信號接收并進行信號轉換，傳送至系統核心處理器，經濾波、降噪、邏輯分析后傳送至掘進機制動機構驅動掘進機，同時在工業顯示屏上顯示掘進機控制狀態。

2 硬件設計

懸臂式掘進機控制平臺核心中央處理機（Central Processing Unit，CPU）選用InterControl控制器。該控制器具備8路PWM信號處理接口、32路可復用的輸入/輸出接口，同時具備CAN總線、CanOpen總線、TCP/IP等多種通信接口，滿足掘進機控制平臺硬件需求。該控制器內核為英飛凌的TC1796 32位CPU，響應頻率為150 MHz，數據處理周期為195 MIPS，滿足掘進機控制平臺控制精度需求。以四回路懸臂式掘進機控制平臺為例，InterControl控制器接口分配方案如表1所示。

3 軟件設計

根據懸臂式掘進機控制平臺系統設計和硬件地址分配進行軟件系統設計，根據控制平臺需要實現的功能，將軟件系統分為過程初始化及自檢模塊、保護模塊、截割控制模塊、機身位姿控制模塊、遠距離/近距離控制模塊、慣性導航模塊以及故障報警模塊。保護模塊用于實現對掘進機系統的保護，如漏電閉鎖、過載、過流、過熱、接觸器粘連、過壓/欠壓、瓦斯超限、急停以及油溫油位保護等;截割控制模塊用于實現對掘進機截割頭的控制，如截割路徑規劃、截割閉環控制、自適應截割、截割姿態測量等;機身位姿控制模塊用于實現對掘進機機身位置、姿態的自適應調整;慣性導航模塊用于定位掘進機的實時位置，為截割控制、機身位姿控制提供精準的位置信息;故障報警模塊用于提示并警示掘進機將要或者已經出現的故障，發出聲光語音報警。懸臂式掘進機控制平臺軟件系統基于CodeSys3.5平臺采用ST+結構化編程語言實現，控制平臺軟件主流程如圖3所示。

4 試驗驗證

為保證設計的懸臂式掘進機控制平臺現場使用的可靠性和安全性，在試驗室對設計的控制平臺進行模擬試驗。根據懸臂式掘進機控制平臺要求在試驗室進行硬件配置和軟件設計，同時搭建完成的操作面板、功能開關、狀態指示燈及旋鈕等，如圖4所示。

試驗過程中，依次完成系統上電、近距離遙控操作、遠距離遙控操作、遠程操作并試驗各操作模式之間的無縫切換;對掘進機截割系統進行軌跡跟蹤試驗、自動截割試驗以及自適應截割試驗;對掘進機機身位姿進行自適應調整試驗;設計運載電機回路漏電閉鎖故障，觸發故障報警模塊進行聲光語音報警;使用遙控器搖桿控制掘進機左右履帶進行前進、后退以及轉向試驗。試驗結果表明，優化后的掘進機控制平臺運行穩定，較好地實現了對掘進機的遙控、遠程以及就地控制。

5 結語

以四回路懸臂式掘進機為研究對象，對原控制平臺系統進行優化設計，并得出以下結論：①以InterControl控制器為核心，通過PWM接口直接對掘進機的懸臂升降、懸臂擺動、懸臂伸縮以及履帶行走進行控制，縮短了系統響應時間，提升了控制平臺的控制精度;②利用遙控接收器、遙控發射器實現了掘進機遠距離、近距離直接控制，控制效果良好;③基于CoDeSys3.5平臺實現了掘進機控制平臺的軟件設計，并可在線實時升級，降低了研發成本，縮短了研發周期。

參考文獻：

[1]閆魏鋒，石亮.我國煤巷掘進技術與裝備發展現狀[J].煤礦機械，2018（12）：1-3.

[2]楊炳文，付文俊，劉志強.豎井掘進機控制系統設計[J].工礦自動化，2016（9）：5-8.

[3]滕麗麗，滕俊章.基于PLC的懸臂式掘進機電控系統的設計與實現[J].煤礦機械，2014（4）：133-134.

[4]劉美俊，林明星，鈕恒，等.掘進機PLC控制系統的設計與維護[J].煤炭工程，2016（11）：131-133.

[5]王蘇彧，吳淼.基于PCC的縱軸式掘進機自主截割控制系統研究[J].煤炭工程，2016（6）：132-135.