巷道掘進(jìn)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能控制平臺(tái)研究

錢虹光

（華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲二號(hào)煤礦安監(jiān)處，山西 柳林 033300）

引言

煤礦井下綜掘工作面使用的掘進(jìn)機(jī)以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，如EBZ160、EBZ220、EBZ450 等，控制系統(tǒng)核心都采用可編程邏輯控制器并擴(kuò)展所需的功能模塊完成對掘進(jìn)機(jī)的方向、截割、位姿等控制[1]。為適應(yīng)綜掘工作面智能化、信息化開采需要，國內(nèi)外煤礦科研院所和單位針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用EPEC 控制器取代傳統(tǒng)的西門子S7-200 PLC 控制器，降低了硬件接線復(fù)雜度以及維護(hù)維修成本[2]；采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，基于倍福控制器實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，降低了開發(fā)周期，提升了掘進(jìn)機(jī)的控制性能；基于PCC、智能控制以及CAN 總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)沿軌跡截割以及自適應(yīng)截割的功能，提升了掘進(jìn)機(jī)的智能化水平[4]。三一公司的掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)采用KW-MultiProg 軟件PLC 控制器進(jìn)行二次開發(fā)，將控制掘進(jìn)機(jī)截割路徑、位姿變化、行走等的控制算法嵌入掘進(jìn)機(jī)底層算法庫，優(yōu)化了掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)性能。文章基于Inter-Control 控制器，實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示，核心為InterControl 控制器，并由擴(kuò)展的數(shù)字量輸入接口、模擬量輸入接口、PWM接口以及通信接口共同完成掘進(jìn)機(jī)控制功能。該掘進(jìn)機(jī)為四回路掘進(jìn)機(jī)，包含轉(zhuǎn)載電機(jī)回路、泵站電機(jī)回路、低速截割電機(jī)回路、高速截割電機(jī)回路，對應(yīng)由接觸器KM1-MK4 控制高壓供電，由TA1～TA4 以及電流變送器1～4 實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入電流值。控制平臺(tái)需能近距離或者遠(yuǎn)距離完成掘進(jìn)機(jī)懸臂伸縮、懸臂升降、懸臂擺動(dòng)動(dòng)作；使得掘進(jìn)機(jī)截割頭能夠按軌跡、自適應(yīng)、自動(dòng)完成截割任務(wù)；同時(shí)還能夠控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶行走，及完成前進(jìn)、后退、停止等動(dòng)作；當(dāng)左右履帶張緊力不夠時(shí)，能夠通過履帶張緊裝置完成履帶張緊動(dòng)作。為能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以CAN 總線通信模式與工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)顯示器、本安操作箱、遙控接收器等設(shè)備連接，完成掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、精準(zhǔn)控制。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)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(shè)備完成近距離、遠(yuǎn)距離無線遙控，遙控控制原理如下頁圖2 所示。當(dāng)進(jìn)行懸臂式掘進(jìn)機(jī)近距離或者遠(yuǎn)距離遙控時(shí)，遙控發(fā)射器發(fā)出控制命令后，遙控接收器完成接收并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，傳送至系統(tǒng)核心處理器，經(jīng)濾波、降噪、邏輯分析后傳送至掘進(jìn)機(jī)制動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)，同時(shí)在工業(yè)顯示屏上顯示掘進(jìn)機(jī)控制狀態(tài)。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)無線遙控原理框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)部分的重點(diǎn)是控制器，在選擇控制器時(shí)需綜合考慮控制器性能，如系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、處理速度、支持的通信模式、支持的DI/DO/AI/AO 等。經(jīng)綜合考慮，懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)核心CPU 選用InterControl 控制器，該控制器具備8 路PWM 信號(hào)處理接口、32 路可復(fù)用的輸入/輸出接口，同時(shí)具備CAN 總線、CanOpen 總線、TCP/IP 等多種通信接口，滿足掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)硬件需求。該控制器內(nèi)核為英飛凌的TC1796 32 位CPU，響應(yīng)頻率為150 MHz，數(shù)據(jù)處理周期（MIPS）為195，滿足掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)控制精度需求。以四回路懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)為例，InterControl 控制器接口分配方案如表1 所示。

表1 四回路懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)硬件地址分配

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及硬件地址分配進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)控制平臺(tái)需完成的功能，將軟件系統(tǒng)分為過程初始化及自檢模塊、保護(hù)模塊、截割控制模塊、機(jī)身位姿控制模塊、遠(yuǎn)/近距離控制模塊、慣性導(dǎo)航模塊以及故障報(bào)警模塊。保護(hù)模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)，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(hù)等；截割控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割頭的控制，如截割路徑規(guī)劃、截割閉環(huán)控制、自適應(yīng)截割、截割姿態(tài)測量等；機(jī)身位姿控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置、姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整；慣性導(dǎo)航模塊用于定位掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位置，為截割控制、機(jī)身位姿控制提供精準(zhǔn)的位置信息；故障報(bào)警模塊用于提示并警示掘進(jìn)機(jī)將要或者已經(jīng)出現(xiàn)的故障，發(fā)出聲光語音報(bào)警。懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)軟件系統(tǒng)基于CodeSys3.5 平臺(tái)采用ST+結(jié)構(gòu)化編程語言實(shí)現(xiàn)，控制平臺(tái)軟件主流程如圖3 所示。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)軟件流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證設(shè)計(jì)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)現(xiàn)場使用的可靠性和安全性，在試驗(yàn)室對設(shè)計(jì)的控制平臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)要求在試驗(yàn)室進(jìn)行硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，使用的遙控發(fā)生器如圖4所示，同時(shí)搭建完成的操作面板、功能開關(guān)、狀態(tài)指示燈、旋鈕等，如圖5 所示。

圖4 掘進(jìn)機(jī)用遙控發(fā)射器

圖5 掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場

4.1 遠(yuǎn)控截割電機(jī)電流測試

對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，核心控制器以控制多路換向閥測試電磁鐵線圈電流方式實(shí)現(xiàn)對截割電機(jī)伸縮、回轉(zhuǎn)控制。通過掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)對核心控制器輸出的PWM信號(hào)等效電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并使用萬用表測量電磁閥回路電流，將時(shí)間、電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄為下頁表2。

表2 掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)伸縮、回轉(zhuǎn)電磁閥反饋電流數(shù)據(jù)

由表2 可知，按照文中方案對掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化后，截割電機(jī)回轉(zhuǎn)控制回路、伸縮控制回路的電流值經(jīng)1 400 s 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)后穩(wěn)定與系統(tǒng)電流設(shè)定值相接近，提高了平臺(tái)對回轉(zhuǎn)、伸縮比例換向閥的控制精度，有利于提升掘進(jìn)機(jī)控制性能。

4.2 遙控裝置測試

利用掘進(jìn)機(jī)遙控發(fā)射器對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遙控控制，分別完成遙控啟動(dòng)或者截割、油泵、除塵等電機(jī)；利用遙控手柄控制掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)、后退；驗(yàn)證遙控急停、遙控復(fù)位以及語音報(bào)警等功能。測試結(jié)果表明，掘進(jìn)機(jī)遙控控制效果較好，遙控控制信號(hào)穩(wěn)定。

4.3 其他測試

利用該掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)試驗(yàn)，依次完成系統(tǒng)上電、近距離遙控操作、遠(yuǎn)距離遙控操作、遠(yuǎn)程操作并試驗(yàn)各操作模式之間的無縫切換；對掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)進(jìn)行軌跡跟蹤試驗(yàn)、自動(dòng)截割試驗(yàn)以及自適應(yīng)截割試驗(yàn)；對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整試驗(yàn)；設(shè)計(jì)運(yùn)載電機(jī)回路漏電閉鎖故障，觸發(fā)故障報(bào)警模塊進(jìn)行聲光語音報(bào)警；使用遙控器搖桿控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶進(jìn)行前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，較好的實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程遙控以及就地控制。

5 結(jié)論

以四回路懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，對原控制平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出以下結(jié)論：

1）以InterControl 控制器為核心，通過PWM接口直接對掘進(jìn)機(jī)的懸臂升降、懸臂擺動(dòng)、懸臂伸縮以及履帶行走進(jìn)行控制，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，提升了控制平臺(tái)的控制精度；

2）利用遙控接收器、遙控發(fā)射器實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)距離、近距離直接控制，控制效果良好；

3）基于CodeSys3.5 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)控制平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)，并可在線實(shí)時(shí)升級(jí)，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。