懸臂式掘進機遠程線控系統(tǒng)設(shè)計

王曉東，向 洋，胡漢文，石明全

(1.電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731;2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 401120)

0 引言

懸臂式掘進機，又稱部分斷面掘進機，廣泛應(yīng)用于礦山井下巷道掘進、交通和水下隧道以及其它工程的洞道開掘工作。當前傳統(tǒng)的掘進機作業(yè)主要依賴掘進機司機位于機身手動操作，通過控制油缸換向閥以及電機操作箱來完成采掘工作。一方面，由于巷道掘進工作環(huán)境惡劣，瓦斯?jié)舛容^高，安全事故頻發(fā);另一方面，工作現(xiàn)場的粉塵、機體振動等因素給操作人員的工作帶來了很大的困難，導(dǎo)致勞動強度較大，掘進效率難以有效保證。近年來，掘進機操作人員的安全與掘進效率問題成為行業(yè)關(guān)注的重點。

針對傳統(tǒng)掘進機的缺點，筆者提出一種掘進機遠程線控系統(tǒng)的設(shè)計方案，以某公司的掘進機為例，設(shè)計掘進機遠程線控系統(tǒng)，通過采用西門子S7-200PLC控制比例電磁閥替代傳統(tǒng)人工操作機械式換向閥，將操作臺與機身分離，提出車體位姿定位控制策略并建立截割臂空間位置參數(shù)數(shù)學(xué)模型，使得司機能夠遠程操縱并監(jiān)控掘進機，有效保證掘進機操作人員的安全，較佳地提升掘進工作的效率。

1 系統(tǒng)組成框架

掘進機遠程線控系統(tǒng)由上位機(工控機)、PLC網(wǎng)絡(luò)、傳感器、比例電磁閥組成。其中上位機主要為通過與PLC通信顯示掘進機狀態(tài)參數(shù)，PLC網(wǎng)絡(luò)與傳感器完成數(shù)據(jù)采集和邏輯運算后，通過控制比例電磁閥完成掘進機遠程控制，完成采掘工作，如圖1所示。

圖1 掘進機遠程線控系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)主要由4臺PLC控制截割頭升降油缸、截割頭回轉(zhuǎn)油缸、截割頭伸縮油缸、鏟板升降油缸、后支撐升降油缸、一運馬達、左行走馬達、右行走馬達、左星輪馬達、右星輪馬達對應(yīng)的10組電磁閥，轉(zhuǎn)載電機、油泵電機、截割電機3組電機，以及各電機電流傳感器、4個拉線傳感器、4個激光位移傳感器、2個壓力傳感器。

掘進機遠程線控系統(tǒng)工作原理:PLC上電運行后，接收各傳感檢測器件給出的信號，在確認無故障后，閉合主回路，開始檢測各輸入點狀態(tài)。PLC程序?qū)Ω鱾€輸入信號進行分析處理，并按照系統(tǒng)控制方案輸出相應(yīng)的控制信號，控制3臺電機啟停，實時檢測電機運行狀態(tài)，對電機進行保護，并輸出狀態(tài)指示。同時，上位機讀取PLC中的相關(guān)標志位，顯示在屏幕上，使操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控掘進機運行狀態(tài)。

2 控制策略

遠程控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是掘進機實時狀態(tài)監(jiān)控策略，使位于遠距離操作室內(nèi)的司機獲得當前車體位姿、截割頭位置的具體信息。

2.1 車體位姿定位

由于采用遠程操作，車體在巷道中的姿態(tài)狀態(tài)成為遠程控制的一個難點問題。本方案中車體位姿定位方式通過3個激光測距儀獲得掘進機整機在巷道中相對位置。掘進過程整機位姿偏差有圖2所示的3種情況。

圖2 掘進機姿態(tài)偏差

在掘進機機體右上、右下、左上方三處分別安裝激光測距儀1、2、3，測量車體距離巷道右側(cè)煤壁(a、b)以及巷道左側(cè)煤壁的距離(c)。其中激光測距儀1與激光測距儀2光斑間距為l。當掘進機左右輪速度不一出現(xiàn)橫滾角α?xí)r(圖2左)，通過公式(1):

即可計算出橫滾角α的值。

當車體出現(xiàn)橫向位移時(圖2中)，通過公式(2):

即可計算出橫向位移δ的值。

若車體姿態(tài)情況復(fù)雜，既有橫滾角α又出現(xiàn)橫向位移δ時(圖2右)，可通過式(1)橫滾角α，再將 a、c的值經(jīng)過角度換算后代入式(2)即可得出橫向位移δ。

2.2 截割頭位置定位

截割頭相對于掘進機整機的位置也是重點監(jiān)測對象之一。

截割頭對于車體位置可描述為:

其中，α1:截割頭相對與掘進機整機的水平擺角;β1:截割頭相對于掘進機整機的垂直擺角。

截割頭位姿定位可通過兩個平面投影關(guān)系來確定。從而將角度關(guān)系轉(zhuǎn)換為直角坐標來表達。

圖3 截割頭垂直運動模型與截割頭水平擺動模型

如圖3左所示，掘進機截割頭垂直擺動時，升降油缸伸縮引起的桿長由L變化為L+△。由幾何投影關(guān)系知須同時滿足:

求出yv值，考慮到回轉(zhuǎn)點到截割頭距離，設(shè)為h，則截割頭的高度(距離水平線的監(jiān)控值)H為:

如圖3右所示，掘進機截割頭水平擺動時，回轉(zhuǎn)油缸伸縮引起的桿長由L變化為L+△。由幾何投影關(guān)系知滿足:

求出yh值，即為截割頭的水平轉(zhuǎn)動位置坐標。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該控制系統(tǒng)的硬件由輸入、輸出單元、PLC以及上位機組成，如圖4所示。

遠程監(jiān)控站主要包括監(jiān)控主機(上位機)、PLCM1和操作臺三大硬件組成單元。操作臺是操作人員進行遠程操作的主要人機接口。PLC-M1包括1臺CPU224XP、1個 EM221 8點DI輸入模塊以及1個EM221 16點DI輸入模塊負責(zé)對操作臺的各項操作進行響應(yīng)，并通過通信電纜與現(xiàn)場電氣控制箱內(nèi)的PLC-S2、PLC-S3、低壓電氣箱內(nèi)的PLC-S1進行實時通訊，通訊協(xié)議遵循PROFIBUS總線協(xié)議。監(jiān)控主機負責(zé)與PLC-M1進行通訊，對相關(guān)掘進機工作狀態(tài)信息進行讀取并通過組態(tài)軟件在顯示屏上進行可視化顯示。

圖4 掘進機遠程線控系統(tǒng)硬件組成圖

低壓電氣箱部分主要負責(zé)對掘進機主動力油泵電機、截割電機以及轉(zhuǎn)載電機進行控制、檢測和保護。主要包括 PLC-S1控制系統(tǒng)(1臺 CPU224XP，4個EM231 AI模塊)、電壓、電流傳感器、繼電器和多芯插座等，低壓電氣箱外殼嵌有一塊LED顯示屏與PLCS1相連接，顯示各電機狀態(tài)參數(shù)。

電氣控制箱部分負責(zé)對遙控系統(tǒng)的現(xiàn)場終端進行傳感器信號采集處理、液壓系統(tǒng)的控制指令輸入、遠程上位機的操作命令響應(yīng)。主要由以下元器件組成:(1)PLC224XP-S2、PLC224XP-S3、信息處理及控制;(2)4個EM235 AI/AO模塊、9個EM232 AO模塊用于采集傳感器模擬信號以及輸出電壓信號控制放大卡;(3)20塊電磁比例閥信號放大卡，用于控制電磁比例閥，進而控制油缸和馬達動作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

PLC編程環(huán)境采用STEP7-MicroWIN編程軟件，該軟件與PLC同屬于西門子公司，連接通信簡易，并具有現(xiàn)場監(jiān)控PLC以及在線調(diào)試功能，為后期調(diào)試提供了方便。

(1)模塊化設(shè)計:PLC-M1主要包括操作面板開關(guān)采集模塊、手動模塊、一鍵啟動模塊、放大卡操作模塊、截割頭初始位模塊，以及與PLC-S1、S2、S3通訊模塊，是整個系統(tǒng)的控制中心。

PLC-S1主要為電機保護以及啟停邏輯控制，其程序如圖5所示。

圖5 電機啟動流程圖

(2)工藝流程:開機時PLC首先檢測系統(tǒng)是否存在故障，當各傳感器返回值正常，確認掘進機系統(tǒng)無故障后，閉合系統(tǒng)主回路。按下警鈴，警鈴響3～8s可啟動油泵電機。油泵電機開啟后即可對各電磁閥進行相應(yīng)控制。再次按下警鈴3～8s之后可開啟截割電機。轉(zhuǎn)載電機可隨時啟動。

PLC-S2、PLC-S3程序主要為輸出電壓信號控制放大卡，進而控制掘進機各油缸和馬達以實現(xiàn)掘進機動作。同時PLC-S3還接收機體上的各傳感器信號，處理后通過通信提交給PLC-M1。

當系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，即可對掘進機進行有效的操作和控制。

4.2 上位機設(shè)計

由于操作掘進機時，司機位于遠距離操作室內(nèi)，故需要遠程監(jiān)控系統(tǒng)使得司機能夠?qū)崟r監(jiān)控到掘進機的工作狀態(tài)。

狀態(tài)監(jiān)控畫面由Labview編寫，主要顯示掘進機的狀態(tài)參數(shù)以及對掘進機進行部分參數(shù)設(shè)定。其中狀態(tài)參數(shù)主要包括，電網(wǎng)電壓、3臺電機(油泵電機、截割電機、轉(zhuǎn)載電機)電流和故障情況、截割頭動作和位置、車身姿態(tài)及控制閥油壓等信息，見圖6。

圖6 上位機畫面

5 結(jié)束語

掘進機遠程線控系統(tǒng)通過使用可編程控制器(PLC)與遠程嵌入式工控機組成上、下位機式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了操作者(司機)遠距離有線控制操作掘進機完成全部巷道掘進、采煤工作，有效地提升了采掘工作安全性與截割效率，改善了操作人員工作環(huán)境，減少人員傷害事故，提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實際掘進機上，運行狀態(tài)良好。

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