基于 UWB 的煤礦井下設(shè)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(zé)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(shè)備發(fā)展迅速，各種類型的煤礦機器人相繼涌現(xiàn)出來，通過協(xié)同控制可以形成減人、便于操控、降低勞動強度等多個優(yōu)勢。但目前采掘工作面設(shè)備以單機控制為主，在多個設(shè)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(shè)備進行輪流操作，不能適應(yīng)智能礦井的發(fā)展趨勢。單機操作時，無法及時對各設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)進行評估，導(dǎo)致設(shè)備之間協(xié)調(diào)性差，工作效率低。同時多人兼顧配合，否則易產(chǎn)生堆煤、碰撞、甚至傷人事故。無線測距傳感器可實現(xiàn)煤礦設(shè)備自動順序控制，可以有效地避免此類事故發(fā)生，且設(shè)備之間進行閉鎖等邏輯控制，以防止無關(guān)人員進行誤操作。

1 系統(tǒng)的基本原理

煤礦設(shè)備自動控制系統(tǒng) (Automatic Device Control System) 是指按照受控執(zhí)行機構(gòu)的預(yù)定動作順序，根據(jù)相應(yīng)的步進條件，逐步實施的自動控制系統(tǒng)。受控裝置一般為煤礦機械設(shè)備，其動作順序不變或較為固定。在這個控制系統(tǒng)中，主信號主要來源于開關(guān)，其中包括接觸式或非接觸式行程開關(guān)、光電開關(guān)、簧片開關(guān)以及霍爾元件開關(guān)，而有時候也會將信號轉(zhuǎn)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(xiàn)更精確的控制效果。

為了使順序控制系統(tǒng)可靠地工作，通常采用步進順序控制電路來實現(xiàn)。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(jīng)發(fā)出的情況下，控制系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)的機械都是在這個階段實現(xiàn)。這個控制系統(tǒng)是緊密聯(lián)鎖的，即使步進開關(guān)的主信號元件出現(xiàn)故障或操作失誤，動作順序不會混亂。

UWB 技術(shù)是使用 1 GHz 以上頻率的無線通信技術(shù)。UWB 不使用正弦載波，而是使用用納秒級的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。UWB 所占的頻譜范圍很大，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達每秒幾百兆比特以上。UWB 技術(shù)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(tǒng)中。2002 年 2 月，美國聯(lián)邦通信委員會發(fā)布了民用 UWB 設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。該規(guī)定中，在 3.1～10.6 GHz 頻段中傳輸數(shù)據(jù)帶寬大于 500 MHz 的通信系統(tǒng)稱為 UWB 系統(tǒng)。

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(fā)射機在其時間戳上的Ta1發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號；模塊 B 在Tb2時刻發(fā)射一個響應(yīng)性質(zhì)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(xié)同控制系統(tǒng)基本單元主要由 E、F2 套電氣控制系統(tǒng)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(shè)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(shè)備。電氣控制 F 保持基本靜止?fàn)顟B(tài)，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(xié)同控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、維護成本低、便于改造。借助此系統(tǒng)可實現(xiàn)多個設(shè)備協(xié)同控制，對煤礦智能化發(fā)展具有實質(zhì)性的提升。

圖1 協(xié)同控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of cooperative control system

單臺設(shè)備必備元器件主要包括主控制器、RJ45網(wǎng)絡(luò)、CAN 通信、無線測距傳感器等。單機設(shè)備需支持 TCP/IP 協(xié)議或 CAN、CANopen 協(xié)議。以倍福 CX8050 控制器為例，主控制器 PLC 內(nèi)存為 512 MB，配有 1 個 Ethernet 網(wǎng)絡(luò)接口，1 個 CAN 主站接口。PLC 程序執(zhí)行周期為 20 ms，支持 RS-485或 TCP/IP 等通信協(xié)議。PCL 編程中，定義數(shù)組變量：UWB_Data 在讀寫寄存器初始地址為 0 的數(shù)組[0..7]，數(shù)據(jù)類型為 BYTE，將測距傳感器數(shù)據(jù)讀回，協(xié)議為 CANopen 通信協(xié)議，讀取頻率為 PLC 的刷新頻率，即 50 Hz。

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，UWB 的主要特性是不需要使用傳統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(yōu)勢。

該測距傳感器為自研設(shè)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(biāo)準(zhǔn) CAN 協(xié)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(tài)時，通過互相測距，可將距離數(shù)據(jù)實時發(fā)送回 PLC 控制器[3]。

1.2 軟件設(shè)計

單臺設(shè)備流程如圖2 所示。單機系統(tǒng)中，在上電后系統(tǒng)首先進行自檢，自檢信號包括前后設(shè)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(tài)，等待本機控制器命令下發(fā)或集中控制器集中控制命令下發(fā)。

圖2 單臺設(shè)備控制流程Fig.2 Single device control process

各單機設(shè)備在系統(tǒng)控制軟件運行過程中，向集中控制器發(fā)送自檢結(jié)果，集中控制器根據(jù)無線測距傳感器等多種技術(shù)參數(shù)為輸入量，建立設(shè)備運行狀態(tài)與強擾動環(huán)境中傳感器模糊關(guān)系模型，以系統(tǒng)行走、轉(zhuǎn)載等為輸出量，實現(xiàn)系統(tǒng)自主判斷、自主決策的目的。

在整個系統(tǒng)的使用過程中，由基于 UWB 技術(shù)的測距模塊對前后級設(shè)備進行實時測距。軟件中設(shè)置一個可調(diào)整的距離閾值，當(dāng)檢測到前級設(shè)備距離到達閾值范圍內(nèi)，后級設(shè)備在短暫延時后，執(zhí)行設(shè)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(wǎng)產(chǎn)生瞬間沖擊，影響整體控制系統(tǒng)，不同的執(zhí)行動作需分布進行，每一步執(zhí)行之后短暫延時，再繼續(xù)執(zhí)行下一步。當(dāng)前級設(shè)備與后級設(shè)備的距離超出設(shè)定閾值范圍后，后級設(shè)備一般會延時停止，延時時間可調(diào)。以上為一個完整循環(huán)[4]。

軟件設(shè)計中需考慮多種情況，對整體控制邏輯應(yīng)形成閉環(huán)，防止出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致系統(tǒng)混亂，如當(dāng)前級設(shè)備進入設(shè)定閾值范圍內(nèi)后，后級設(shè)備在未完成執(zhí)行所有動作的情況下，前級設(shè)備退出范圍閾值時，此時后級設(shè)備的運行狀態(tài)應(yīng)立即中斷順序執(zhí)行狀態(tài)，改為執(zhí)行延時停止的狀態(tài)，由此可確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2 電氣控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.1 電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

煤礦巷道維修設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)主要涉及到主電控箱、驅(qū)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(tǒng)的總體設(shè)計顯示了電氣部件之間通過 CANopen 協(xié)議進行通信和現(xiàn)場信號采集。道路維修設(shè)備電氣控制功能的最終實現(xiàn)取決于每個電氣部件的可靠運行[5]。

2.2 電氣系統(tǒng)的控制

該系統(tǒng)以 PLC 為控制器，以 CAN 協(xié)議嵌入式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)電動機啟停控制，實時讀取傳感器數(shù)據(jù)，全面保護電動機，同時監(jiān)測運行狀態(tài)。控制系統(tǒng) CAN 總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 CANopen 總線結(jié)構(gòu)Fig.3 CANopen bus structure

主控制器負責(zé)控制電動機，采集 I/O 端口和模擬量端口的數(shù)據(jù)，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(tǒng)的工作狀態(tài)和設(shè)備運行參數(shù)。

遙控系統(tǒng)通過遙控接收機接收遙控發(fā)射機的控制信號并傳輸至總線，總線結(jié)點通過 CAN 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、可靠、穩(wěn)定的傳輸[6]。

2.3 電氣系統(tǒng)的程序設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，并提供多種編程語言。控制程序主要使用結(jié)構(gòu)化語句編程語言(ST) 來實現(xiàn)各種功能 (Structure)。

控制系統(tǒng)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(zé) CANopen 網(wǎng)絡(luò)的運維，對多個控制器之間的通信節(jié)點進行檢查和組建，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備 OD (節(jié)點) 和節(jié)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(wǎng)絡(luò)從屬節(jié)點 (Control)。主節(jié)點監(jiān)測 CANopen 總線上各節(jié)點的心跳消息，并端盤各個節(jié)點的通信狀態(tài)。每個導(dǎo)引消息從節(jié)點發(fā)送到主控制器，使主節(jié)點能夠判斷出每個從節(jié)點進入了預(yù)先工作狀態(tài)。主節(jié)點采用 PDO 信息的同步循環(huán)模式，實現(xiàn)雙方信息的雙向讀寫；PDO 信息在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)一對多數(shù)據(jù)的傳輸，PDO 信息在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)上讀寫圖像地址區(qū)，每個節(jié)點可以根據(jù)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(diào)節(jié)從控制器的 PWM 輸出，以實現(xiàn)電流比例閥的控制目的。控制器將系統(tǒng)電壓、各主電路的工作電流、負載設(shè)備的溫度等參數(shù)傳輸至人機界面。從控制器內(nèi)部程序操作，用于實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的動態(tài)監(jiān)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(shù)的優(yōu)化匹配和控制系統(tǒng)的決策提供了依據(jù)。當(dāng)電子控制系統(tǒng)發(fā)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(shè)備維護提供幫助[8]。

3 基于 UWB 技術(shù)的煤礦應(yīng)用情況

UWB 技術(shù)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(shè)備為履帶式轉(zhuǎn)載破碎機 (以下簡稱破碎機，如圖5 所示)+久益 (環(huán)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(biāo)準(zhǔn)為 0.1～55 m，實測測距傳感器在 70 m 范圍內(nèi)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(jiān)測實際距離，對傳感器距離繼電器進行設(shè)置，根據(jù)實際需要將繼電器距離設(shè)置為 5～50 m。此處以 20 m 進行舉例，當(dāng)梭車靠近破碎機時，測距傳感器距離繼電器在檢測到兩設(shè)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(jié)束后，啟動報警對應(yīng)電動機。啟動之后，經(jīng)過設(shè)定的延時之后，自動開始下一個動作報警，報警結(jié)束后，啟動報警對應(yīng)的電動機或動作，直到完成所有設(shè)定動作。

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

圖5 履帶式轉(zhuǎn)載破碎機Fig.5 Transfer crusher with crawler

該技術(shù)的應(yīng)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(chǎn)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(shù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好。

4 結(jié)語

對煤炭生產(chǎn)單位來說，煤礦用履帶式轉(zhuǎn)載破碎機在國家能源集團神東公司各礦均有使用，在生產(chǎn)班環(huán)境復(fù)雜，設(shè)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(fēng)險，對煤礦的安全生產(chǎn)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(shù)量，同時降低人工成本，減小工作強度。自動化作業(yè)的加入，可使產(chǎn)量精確計算，且在生產(chǎn)過程中無勞動疲勞、情緒化等情況。

對于設(shè)備生產(chǎn)單位來說，設(shè)備自動化程度高，可提高企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，企業(yè)應(yīng)該充分利用信息的透明化，提高產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)、價格等優(yōu)勢，同時引入工業(yè)自動化設(shè)備，以降低生產(chǎn)成本，改善企業(yè)形象，增強企業(yè)在行業(yè)中的競爭力。