無人大型礦用電鏟實驗平臺控制系統(tǒng)硬件設計

高 槐 澤,李 光,王 夢 麟,劉 曉 星,岳 海 峰,付 濤,宋 學 官*

(1.大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024； 2.太原重工股份有限公司 礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室， 山西 太原 030024 )

0 引 言

礦產(chǎn)資源是自然資源的一個重要組成部分，是人類社會賴以生存發(fā)展、國家安全及國民經(jīng)濟的重要保障．目前，全球70%以上的固體資源，如鐵、金、銀、煤炭等由露天開采獲得，年采量達千億噸[1]．大型機械式礦用挖掘機(也稱電鏟)通常是指單斗容量大于35 m3、自重超過1 000 t的重型工程機械．它是露天礦山開采系統(tǒng)中最核心的采裝設備之一．其主要運動機構由提升機構、推壓機構、回轉機構及行走機構組成．其設備的綜合性能直接決定著整個礦山的開采效率．與此同時，以AI、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等多學科技術與現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品裝備深度交叉融合為基礎的工業(yè)裝備智能化對國家各行業(yè)及國民經(jīng)濟發(fā)展也具有十分重要的戰(zhàn)略意義[2]．

目前，國內(nèi)外已有許多學者及重點實驗室對礦用電鏟實驗平臺搭建進行了研究，例如澳大利亞自主系統(tǒng)實驗室CSIRO ICT中心的Dunbabin等[3]，基于德國P&H 4100電鏟設備以1∶7的比例設計搭建實驗平臺，其鏟斗額定斗容約為0.16 m3；宋吉鶴[4]基于太原重工集團WK-55電鏟以1∶10的比例設計搭建實驗平臺，其行走履帶以鐵軌輪代替，整體實驗平臺安裝在鐵軌上．本文設計搭建的電鏟實驗平臺為機械式礦用挖掘機，其額定斗容約為0.176 m3，且安裝有行走履帶，整體結構完全基于太原重工集團WK-55電鏟以1∶7的比例搭建而成，可實現(xiàn)回轉、推壓、鏟斗升降、行走、卸料等功能．

目前，礦用電鏟的挖掘作業(yè)仍完全依靠人工，由于電鏟體積巨大、振動劇烈、視野受限、露天礦場環(huán)境復雜多變等因素，會導致操作人員對電鏟的工作狀態(tài)及機身周圍環(huán)境感知存在明顯不足．現(xiàn)階段存在的一些主要問題如下：

(1)礦山環(huán)境惡劣，且進行挖掘時電鏟也會伴隨著劇烈振動與噪聲．操作人員工作時長通常在8～12 h不等，工作效率容易受到工作時長、環(huán)境、情緒、身體狀態(tài)等因素影響，隨著工作時間推移，工作效率下降，會導致手動操作時電鏟的綜合挖掘效率下降．

(2)電鏟操作人員的挖掘技術熟練水平不一，不能保證每次挖掘時的挖掘滿斗率都在規(guī)定范圍內(nèi)，且由于操作人員在挖掘前無法有效選擇一個較優(yōu)的挖掘切入點或手動規(guī)劃一條合適的挖掘軌跡，故在挖掘時經(jīng)常會出現(xiàn)挖掘物料的深度淺、單次挖掘滿斗率低，或鏟斗切入物料過深使鏟斗承受高沖擊荷載，導致機身產(chǎn)生劇烈振動，發(fā)生斷軸斷銷、動臂傾覆等事故，嚴重影響電鏟的綜合挖掘效率，且操作人員及設備的安全性無法得到保障[5]．

(3)手動操作電鏟進行挖掘時，由于其設備巨大，操作人員的視線可能會被電鏟的動臂遮擋[6]．露天礦場所處室外，常伴有雨雪、風沙等惡劣天氣，且操作人員在夜晚工作時的光線問題也會使視線受阻，無法了解電鏟的實時運行狀態(tài)與機身周圍的環(huán)境信息，在挖掘過程中有可能造成挖掘碰撞，忽視機身周圍區(qū)域中其他人員及設備，極易產(chǎn)生意外事故．

(4)因料場環(huán)境復雜，料堆形狀不一，電鏟進行挖掘時各驅(qū)動電機在手動狀態(tài)下會頻繁在啟停、加減速模式切換，嚴重的操作失誤也會使各電機堵轉，導致挖掘過程中斷不連續(xù)，電鏟在工作中耗能極大，挖掘不節(jié)能．據(jù)神華煤礦統(tǒng)計，在挖掘機工作過程中，不同操作人員的工作能耗差異達50%．

因此，為大型礦用電鏟無人操作挖掘作業(yè)環(huán)節(jié)的智能化研究所搭建的電鏟實驗平臺，不論是從響應中國制造2025的戰(zhàn)略要求角度出發(fā)，為解決露天礦巖資源高效、安全開采的問題，還是從挖掘效率、工作能耗、操作人員及設備的安全性等方面考慮，都具有重要的研究意義．

1 電鏟實驗平臺基本結構

本文電鏟實驗平臺搭建的最終目的是為了進行大型礦用電鏟挖掘自動化技術的研究．如果直接在體型龐大的WK-55礦用電鏟上進行自動化的實驗研究，操作人員及設備的安全性得不到保障，且若調(diào)試出現(xiàn)問題產(chǎn)生事故造成的設備維修成本也過高．該電鏟實驗平臺設備零件是基于太原重工集團WK-55電鏟按1∶7的比例設計．電鏟實驗平臺模型如圖1所示，電鏟實驗平臺整體結構如圖2所示．

圖1 電鏟實驗平臺模型Fig.1 Electric shovel experimental platform model

1 鏟斗; 2 天輪; 3 斗桿; 4 動臂; 5 斗桿傾角傳感器; 6 推壓電機; 7 開斗電機; 8 提升電機; 9 動臂拉壓力傳感器; 10 回轉電機; 11 控制柜; 12 配重; 13 電源線; 14 回轉軸; 15 行走電機; 16 機身傾角傳感器

2 電鏟實驗平臺控制系統(tǒng)硬件架構

2.1 下位機控制系統(tǒng)框架

電鏟實驗平臺下位機控制系統(tǒng)框架如圖3所示．下位機控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、回轉電機、推壓電機、提升電機、左行走電機、右行走電機、開斗電機、絕對值編碼器、傾角傳感器、拉壓力傳感器等設備組成．PLC通過控制6臺變頻器分別控制6個電機，從而實現(xiàn)對電鏟執(zhí)行機構的運動控制；其中，6個電機都自帶速度編碼器，推壓與提升電機分別帶有一個絕對值編碼器在復位時用來進行位置控制．回轉電機使用轉矩控制，是因為電鏟機身在回轉過程中，如果使用速度控制，在到達終止位置時回轉速度為零，電機會產(chǎn)生一個電磁制動從而造成機身的急停，伴隨而來的沖擊會對機身齒輪造成很大磨損，而使用轉矩控制因回轉機構到達終止位置時回轉轉矩為零不存在電磁制動，機身會因為慣性繼續(xù)回轉直至由于摩擦等因素逐漸停止，因此應用轉矩控制較為平穩(wěn)，機械沖擊小，可以較好地保護齒輪，偏離的角度可通過操作桿手動調(diào)整．在斗桿上安裝有一個傾角傳感器，用來測量在空間中斗桿與水平方向的夾角．在機身上安裝有一個傾角傳感器，用來測量電鏟機身基于水平地面的俯仰角與側傾角．安裝的拉壓力傳感器是用來測量動臂受到的拉力與壓力．推壓電機設置的前后限位開關作用是為了保護機器與使用者的安全．在電鏟工作執(zhí)行過程中，實時將其執(zhí)行機構的速度信息進行反饋，實現(xiàn)閉環(huán)控制．

圖3 電鏟實驗平臺下位機控制系統(tǒng)框架

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型

2.2.1 控制柜硬件選型 為了給操作人員提供一個良好的研究及調(diào)試環(huán)境，該實驗平臺設計了電鏟控制柜，如圖4所示．控制柜安裝在電鏟后方，方便操作人員在控制柜內(nèi)進行電鏟實驗平臺自動化的研究及調(diào)試．控制柜中部分核心設備功能介紹如下：

(1)PLC：采用一類可編程的存儲器用于內(nèi)部存儲電鏟各類控制程序，如回轉控制、提升控制、推壓控制、行走控制與開斗控制；向變頻器發(fā)送電機控制指令，并接受變頻器及傳感器各類反饋信號控制，通過數(shù)字或模擬量輸入或輸出控制電鏟工作運行；在本地/遠程手動控制模式，也被用于接受手柄控制命令[7]．

(2)PLC拓展模塊：由DI數(shù)字量輸入模塊AU42，DQ數(shù)字量輸出模塊AU43，AI模擬量輸入模塊AU44、AU45，AQ模擬量輸出模塊AU46，CM串口通信模塊AU47組成．

1 PLC; 2 PLC拓展模塊; 3 熔斷器式隔離開關; 4 熔斷器; 5 拓展觸點; 6 無線網(wǎng)橋中心端; 7 控制變壓器; 8 管理型以太網(wǎng)交換機; 9 全能型電源; 10 接線與連接點; 11 用于WIFI、5G通信; 12 開關; 13 變頻器; 14 行走、推壓、提升、回轉、開斗變頻器; 15 整流器與逆變器

(3)整流器與逆變器：負責給各工作電機供電，將PLC中的轉速、轉矩數(shù)據(jù)信息轉換為電機實際工作執(zhí)行的信號；接收來自電機自帶速度編碼器測量的電機速度信息，調(diào)節(jié)實際執(zhí)行速度，使其更加接近給定速度，完成閉環(huán)控制．

(4)觸摸控制屏：主要由總覽、故障、系統(tǒng)、狀態(tài)、電能管理、運行時間、模擬量控制、提升限位、推壓限位、潤滑時間、HMI系統(tǒng)等按鈕模塊組成，觸摸控制屏如圖5所示．

圖5 電鏟實驗平臺控制柜觸摸控制屏Fig.5 The touch control screen of the control cabinet of the electric shovel experimental platform

2.2.2 控制系統(tǒng)各工作電機、傳感器等硬件選型 在給定挖掘軌跡執(zhí)行挖掘過程中，為計算單次挖掘過程中最小體積的挖掘能耗，首先需要監(jiān)測斗桿與水平方向的夾角來計算電鏟鏟斗齒尖在空間中的實時位置，因此需要安裝一個檢測斗桿傾角的傳感器．在挖掘機行走的過程中，由于地面凹凸不平，需要安裝一個實時監(jiān)測機身側傾角與俯仰角的傳感器．如果將傾角傳感器直接安裝在斗桿上，電鏟進行挖掘工作時，斗桿推壓會影響測量結果，因此設計了一個鞍座，將斗桿傾角傳感器安裝在鞍座上．電鏟機身傾角傳感器與斗桿傾角傳感器如圖6所示．

(a) 機身傾角傳感器 (b) 斗桿傾角傳感器 圖6 電鏟機身傾角傳感器與斗桿傾角傳感器Fig.6 Electric shovel body inclination sensor and stick inclination sensor

為了防止在實際挖掘物料中，由于礦巖過大過硬導致動臂受到超過額定限額的挖掘阻力，需要安裝一個實時測量拉壓力的傳感器．推壓與提升電機的絕對值編碼器在復位時用來進行位置控制．提升電機的絕對值編碼器作用是當電鏟進行一次有效挖掘后，可以將其恢復到挖掘初始位置．推壓電機的絕對值編碼器除了上述功能外，還可以將電鏟斗桿的伸縮量限制在安全范圍內(nèi)．回轉電機使用轉矩控制，其余5個電機使用速度控制．動臂拉壓力傳感器與絕對值編碼器如圖7所示．

變頻器驅(qū)動的6臺工作電機的設備圖如圖8所示，各電機參數(shù)如表1所示．

(a) 拉壓力傳感器 (b) 絕對值編碼器 圖7 動臂拉壓力傳感器與絕對值編碼器Fig.7 Boom pull pressure measurement sensor and absolute encoder

1 回轉電機; 2 提升電機; 3 開斗電機; 4 推壓電機; 5 左行走電機; 6 右行走電機圖8 電鏟實驗平臺各工作電機圖Fig.8 Diagram of various working motors of the electric shovel experimental platform

表1 電鏟實驗平臺各電機參數(shù)Tab.1 Motor parameters of the electric shovel experimental platform

3 電鏟實驗平臺駕駛室及遠程操作系統(tǒng)硬件架構

電鏟實驗樣機駕駛室中各操作桿及控制按鈕功能介紹如下：

(1)左操作桿的前、后方向用來控制推壓電機與左行走電機工作；左、右方向控制回轉電機來控制機身回轉；左側控制按鈕主要由回轉松閘、推壓松閘、回轉抱閘、推壓抱閘、整流停止、整流啟動組成．

(2)右操作桿的前、后方向用來控制提升電機與右行走電機工作；左方向用來控制鏟斗開斗卸料；右方向是喇叭開關；右側控制按鈕主要由提升松閘、提升抱閘、挖掘模式、行走模式、本地/遠程、緊急停止組成．

遠程操作平臺的兩側操作桿功能與實驗樣機駕駛室基本相同．電鏟實驗樣機駕駛室及遠程操作平臺如圖9所示．各操作桿均帶有防誤觸功能，以左操作桿為例，將操作桿推向推壓/左前進擋位，由于推桿與PLC是通過模擬量進行通信，若推桿的移動范圍小于某個設定值，PLC程序中的一個判斷命令會使PLC不執(zhí)行工作指令，如果推桿的移動范圍超過設定值，防誤觸功能解除，機械系統(tǒng)正常運行．

圖9 電鏟實驗樣機駕駛室及遠程操作平臺Fig.9 Electric shovel experimental prototype cab and remote operation platform

當單次挖掘過程完畢后，要將挖掘模式切換到行走模式，具體為提升/推壓抱閘(相應機構剎車片應鎖緊)-切換行走模式-行走模式松閘；若行走到指定位置開始挖掘，同樣也要將行走模式切換到挖掘模式，具體為行走模式抱閘-切換挖掘模式-提升/推壓松閘(提升/推壓機構受到松閘指令后啟動相應逆變器，PLC程序接收到逆變器運行后向抱閘電磁閥發(fā)送反饋指令(信號使能)，觀察相應機構抱閘是否打開，即打開為松閘)，開始挖掘．因為推壓/左前進、收回/左后退在左操作桿的同一個方向，鏟斗提升/右前進、鏟斗下降/右后退在右操作桿的同一個方向，所以在推壓電機與左行走電機、提升電機與右行走電機的使用上，一定要將行走模式與挖掘模式進行模式轉換．

當操作人員手動操作電鏟時，因為礦山環(huán)境惡劣，挖掘時電鏟劇烈振動，會導致操作的精確性無法保證，而且連續(xù)高強度的實地作業(yè)也會給操作人員的身體健康帶來不良影響．而遠程操作電鏟進行作業(yè)，不僅操作精度高，而且對身體健康的影響也大大減?。试搶嶒炂脚_搭建時也設計了遠程操作平臺．遠程操作平臺控制柜及各控制按鈕如圖10所示．如果需要遠程進行挖掘操作控制，首先要將本地/遠程模式進行切換，此時遠程操作平臺控制柜中的PLC與實驗樣機控制柜中的PLC開始進行數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)交換，在遠程操作平臺可以通過可視化遠程操作大屏，首先觀察給定速度和反饋速度是否有偏差，而后使用遠程操作桿控制實驗樣機進行正常挖掘工作．

圖10 遠程操作平臺控制柜及各控制按鈕示意圖

4 實驗驗證

使用搭建的遠程操作平臺進行遠程挖掘?qū)嶒灒瑢嶋H挖掘環(huán)節(jié)整體示意圖如圖11所示，由從初始位置開始挖掘、挖掘過程中、挖掘結束、機身回轉、卸料、復位6部分組成．

(a) 從初始位置開始挖掘

(b) 挖掘過程中

(c) 挖掘結束

(d) 機身回轉

(e) 卸料

(f) 復位

電鏟實驗樣機的提升電機、推壓電機使用速度控制，回轉電機使用轉矩控制．根據(jù)圖12～14的數(shù)據(jù)對比可得出，在遠程控制挖掘物料時，手動設定的與實際實驗樣機中PLC輸出的提升速度、

圖12 設定與實際提升電機轉速對比示意圖Fig.12 Schematic diagram of comparison between set and actual increase motor speed

圖13 設定與實際推壓電機轉速對比示意圖Fig.13 Schematic diagram of comparison between set and actual pushing motor speed

圖14 設定與實際回轉電機轉矩對比示意圖Fig.14 Schematic diagram of comparison between set and actual rotary motor torque

推壓速度及回轉轉矩曲線兩者基本保持一致，表明該實驗樣機在實際執(zhí)行工作中的控制精度較高，可以為后續(xù)挖掘軌跡規(guī)劃、整體環(huán)境感知及路徑規(guī)劃的研究提供硬件保障．

5 結 論

(1)根據(jù)大型礦用電鏟無人化設計需求，進行了實驗樣機控制系統(tǒng)的硬件選型、購買，設計了下位機控制系統(tǒng)框架及電氣原理圖，完成了實驗樣機控制柜中各電器件位置排布設計及電器件的安裝、接線等工序；基于編寫的PLC程序，實現(xiàn)了電鏟挖掘、回轉、卸料、復位等實際操作．使用遠程操作平臺進行遠程無人挖掘?qū)嶒?，實驗結果表明，手動挖掘時給定的提升速度、推壓速度、回轉轉矩，與實驗樣機PLC輸出的實際提升速度、推壓速度、回轉轉矩數(shù)據(jù)基本保持一致，驗證了此實驗平臺各功能的有效性．該實驗平臺的搭建成功為后續(xù)進行無人大型礦用電鏟挖掘軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃、三維環(huán)境感知等技術的研究提供了設備支持及硬件保障．

(2)從操作人員的安全性、操作時的精確度和工作環(huán)境的舒適性角度考慮，搭建了實驗樣機的遠程控制系統(tǒng)．完成了遠程操作平臺控制柜中的PLC與實驗樣機控制柜中的PLC之間的TCP/IP通信，使電鏟可以在遠程操作狀態(tài)下進行正常的挖掘工作，未來將基于5G解決兩者通信延遲與通信不穩(wěn)定等問題．