掘進(jìn)機(jī)可視化運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的研究

趙汗青，王立新，李海燕，臧建所

ZHAO Han-qing,WANG Li-xin,LI Hai-yan,ZANG Jian-suo

（黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，哈爾濱 150027）

0 引言

隨著礦山機(jī)械化作業(yè)水平的不斷提高，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道的開采已是一項(xiàng)非常有效的開采手段[1]。然而大多數(shù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)仍是手工操作[2]，由于在巷道開采操作過程中粉塵比較大，在實(shí)際操作時(shí)由1名司機(jī)和2名輔助工人來共同完成，司機(jī)負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)的操作，另外兩名工作人員負(fù)責(zé)巷道在掘進(jìn)時(shí)左右兩側(cè)的超挖和欠挖的看護(hù)工作，司機(jī)和工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，舒適性較差，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，而且施工質(zhì)量和施工安全很大程度上取決于人為因素，因事故而傷亡的人數(shù)也較多[3]，因此急需加強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)截割過程的智能化研究[4]。這里對掘進(jìn)機(jī)的截割過程進(jìn)行可視化監(jiān)控，司機(jī)可以通過操作屏看到截割頭的位置，無需輔助工人的幫助即可完成巷道的截割工作，降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了掘進(jìn)機(jī)的施工質(zhì)量和工作效率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成及硬件設(shè)計(jì)

1.1 斷面成形原理與監(jiān)控系統(tǒng)的組成

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道的掘進(jìn)工程中是通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和截割臂的上下左右擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)航道的斷面的成形控制[5]。截割臂的上下擺動(dòng)是由一對升降油缸控制的，且在升降過程中擺動(dòng)角度一致[6,7]，因此，可以在其中一個(gè)油缸的轉(zhuǎn)角處安裝角位移傳感器進(jìn)行擺臂的升降角度檢測，從而確定截割頭在截割斷面中的上下位置。截割臂的左右擺動(dòng)是由一對水平油缸推動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)左右擺動(dòng)，從而帶動(dòng)截割臂的左右擺動(dòng)， 因此可以通過測量旋轉(zhuǎn)臺(tái)的角度確定截割臂的左右擺動(dòng)的大小，將角位移傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)處。掘進(jìn)機(jī)截割監(jiān)控系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.2 硬件接口電路

從圖1可以看出，為確定掘進(jìn)機(jī)在斷面成形過程中采用兩角位移傳感器，這里采用增量式碼盤。增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相； Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。A、B兩組脈沖相位差 ，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。采用如圖2所示的方向辨別電路。

當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形超前通道B輸出波形90°，D觸發(fā)器輸出Q為高電平，為低電平，上面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，此時(shí)，下面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，B觸發(fā)器輸出Q為低電平，為高電平，上面與非門關(guān)閉，其輸出為高電平；此時(shí)，下面與非門打開，計(jì)數(shù)脈沖通過，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。即當(dāng)碼盤正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器增加，當(dāng)碼盤反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器值減少，因此，可以通過減計(jì)數(shù)數(shù)值來確定截割臂實(shí)際旋轉(zhuǎn)的角度值。

圖2 碼盤接口辯向電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)截割軌跡的可視化，本系統(tǒng)中采用Visual Basic 6.0可視化語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。Visual Basic是微軟公司推出的一種可視化、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計(jì)語言，被公認(rèn)為是編程效率較高的一種編程語言。本系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面主要有可視化界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、斷面超挖報(bào)警、使用幫助系統(tǒng)。斷面超挖報(bào)警是掘進(jìn)機(jī)在斷面成形過程中出現(xiàn)超挖時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒操作者。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是為后續(xù)研究記憶截割以及分析數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。幫助系統(tǒng)是為方便使用者設(shè)計(jì)的，對軟件的使用進(jìn)行介紹。

2.2 截割工藝路線的形式

掘進(jìn)機(jī)在開始截割工作時(shí)，首先利用工作機(jī)構(gòu)深鎖裝置或開動(dòng)履帶行走機(jī)構(gòu)，使截割頭切入工作面煤（或巖）壁一定深度（截深），然后通過截割頭的水平擺動(dòng)和垂直擺動(dòng)，即可切割出所要求的巷道斷面形狀。斷面形狀有拱形、矩形和梯形。以截割梯形斷面為例進(jìn)行說明，常用工作面的切割程序如圖3所示。

圖3（a）為常規(guī)切割程序，即從下向上按圖中所示的切割路線進(jìn)行切割。為了減小截割時(shí)阻力，減小應(yīng)力對截割頭的作用，以增加截割頭的使用壽命，可以采取圖3（b）、(c)的截割方式。圖3（b）從中間先向下切割，完成下部的斷面尺寸后，再從中間向上切割完成上半部分?jǐn)嗝娴慕馗?。圖3(c)為從中間按圖中扇面的形式切割，最后完成輪廓邊緣尺寸的修剪。圖3（d）所示的情形是煤巖分層的情形，先截割煤，后截割巖石，以減小巖石應(yīng)力過大對機(jī)器造成損害。

2.3 超挖報(bào)警程序的設(shè)計(jì)

從圖3可以看出切割程序的形式各不相同，為簡化程序設(shè)計(jì)，減少運(yùn)算工作量，采用了統(tǒng)一的方法控制斷面的極限尺寸，拋開截割工藝方式的限制。其程序框圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以EBZ100E懸臂式掘進(jìn)機(jī)為原型，制作了掘進(jìn)機(jī)的模型的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，模型是按照1：10的比例制作。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，包括掘進(jìn)機(jī)模型、傳感器、計(jì)算機(jī)、PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡、PLCD-8710接口卡和相關(guān)的測試儀器。

3.2 程序的測試

由前面的程序設(shè)計(jì)生成執(zhí)行文件，該試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了常規(guī)的三種截割斷面形式，即梯形斷面、矩形斷面、拱形斷面?？梢愿鶕?jù)實(shí)際開采巷道的要求，選擇其中一種斷面截割形式。其中任何一種斷面斷面截割形式，都可以依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置斷面的大小，如圖6所示。

圖3 截割工藝路線圖

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖6 斷面開鑿形式

本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)連接程序由兩個(gè)模塊組成，分別為drive.bas和global.bas，用來驅(qū)動(dòng)程序和變臉的定義程序。系統(tǒng)的斷面成形監(jiān)控畫面在圖5中可以看出。在監(jiān)控系統(tǒng)的左部是監(jiān)控系統(tǒng)的名稱，中間即主題部分，顯示截割過程的軌跡，在右側(cè)有很多輔助功能，共使用者參考，如截割斷面的面積大小，截割頭在時(shí)時(shí)截割過程中的坐標(biāo)值顯示。由于現(xiàn)場光線條件等，這里設(shè)置了四種監(jiān)控背景顏色，以適應(yīng)實(shí)際現(xiàn)場條件的需要。當(dāng)然，也可根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置斷面的畫面顏色。

4 結(jié)束語

利用PCI總線技術(shù)，開發(fā)了以PC計(jì)算機(jī)為核心，以VB的可視化功能為技術(shù)手段的懸臂式掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對掘進(jìn)機(jī)的截割斷面形式、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、截個(gè)監(jiān)控畫面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高斷面成形的質(zhì)量。

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