基于嵌入式Linux平臺(tái)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

肖鐵鎖

摘 要:懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)綜掘面自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)。該研究基于貝加萊公司的可編程計(jì)算機(jī)(PCC)、嵌入式工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、Linux操作系統(tǒng)、CAN總線通訊的懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過對(duì)發(fā)行版Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核重新編譯、文件系統(tǒng)定制和啟動(dòng)配置構(gòu)建了一套高性能的監(jiān)控軟件平臺(tái);在地面試驗(yàn)和井下試驗(yàn)表明:懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大等特點(diǎn),滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)控Linux操作系統(tǒng)PCC嵌入式工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)

中圖分類號(hào):TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0006-01

現(xiàn)代煤礦采掘失調(diào)使綜掘關(guān)鍵技術(shù)的研究成為熱點(diǎn),懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤巷綜掘核心裝備,掘進(jìn)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要裝備,主要用于巷道的挖掘,以布置采煤工作面。懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)是發(fā)展綜合機(jī)械化掘進(jìn)、提高掘進(jìn)效率、保障安全生產(chǎn)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的重要一環(huán)。國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)的重要發(fā)展方向是操作控制方式的自動(dòng)化、智能化、信息化和數(shù)字化,逐漸發(fā)展為掘進(jìn)機(jī)器人。近年來國(guó)內(nèi)外正逐步深入對(duì)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究,表明這是煤巷掘進(jìn)大型裝備的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成與工作原理

懸臂式掘進(jìn)機(jī)綜合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信等信息科學(xué)的技術(shù),完成懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制。在掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí),工作人員通過該視頻畫面與懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,可以確定掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的工作狀況,該監(jiān)控軟件也可發(fā)出信號(hào)開、油泵啟、油泵停、自動(dòng)截割、截割暫停、截割繼續(xù)、截割全停、復(fù)位、清屏控制指令,控制掘進(jìn)機(jī)按照已定要求進(jìn)行自動(dòng)截割,此隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心。總體來講,懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu):機(jī)載控制器PCC→CAN轉(zhuǎn)光纖模塊→光纖轉(zhuǎn)CAN模塊→隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)→顯示屏。

機(jī)載控制器PCC位于懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身,CAN轉(zhuǎn)光纖模塊將PCC中的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息轉(zhuǎn)化為光纖信號(hào),通過光纖將信號(hào)傳到遠(yuǎn)程,在遠(yuǎn)程通過CAN轉(zhuǎn)光纖模塊將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)化為CAN信號(hào),通過CAN總線與隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。井下隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)位于距掘進(jìn)工作面相對(duì)安全區(qū)域,完成掘進(jìn)作業(yè)操作人機(jī)交互功能。

2掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)載控制器PCC

機(jī)載控制器采用貝加萊公司的2005系列PCC,PCC(Programmable Computer Controller)是一種可編程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),由CPU、I/O接口、電源、通信模塊等組成,PCC實(shí)現(xiàn)了系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì),使其具有設(shè)計(jì)安裝容易、調(diào)試周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。其所有的輸入輸出接口電路均采用光電隔離,可有效抑制外部干擾源對(duì)PCC的影響,適合應(yīng)用于煤礦井下的惡劣環(huán)境。另外,PCC模塊品種豐富,通信接口完善,配置簡(jiǎn)單,容易組網(wǎng)通信。將PCC安裝于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的防爆腔內(nèi),各I/O口連接到相應(yīng)的傳感器等輸入設(shè)備和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而構(gòu)成懸臂式掘進(jìn)機(jī)基本電控系統(tǒng)。

PCC與隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間采用CAN通信方式,CAN通信具有抗干擾性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn),適合于如井下等惡劣環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)

為保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和可靠性,本項(xiàng)目研發(fā)基于PC/104的嵌入式隔爆監(jiān)控工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為遠(yuǎn)程控制主機(jī)。

遠(yuǎn)程控制主機(jī)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分,需要監(jiān)測(cè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài),控制懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè),同時(shí)還需具備同地面調(diào)度室計(jì)算機(jī)聯(lián)接通信的接口和能力,可通過井下以太網(wǎng)與井上調(diào)度室中的地面主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)在地面對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)視。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制模塊采用PC/104核心板,該核心板類似于普通電腦主板;存儲(chǔ)模塊采用1個(gè)80G的固態(tài)硬盤;輸入設(shè)備使用工業(yè)級(jí)觸摸板鍵盤;輸出設(shè)備主要為顯示設(shè)備;通訊模塊選用CSD擴(kuò)展板,4個(gè)異步串行口、2個(gè)非智能CAN接口、1個(gè)8255兼容的I/O口和3個(gè)USB本安接口。

3掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件運(yùn)行于嵌入式Linux平臺(tái),該平臺(tái)的健壯性是監(jiān)控軟件健壯性的基礎(chǔ),為了保證平臺(tái)的健壯性,對(duì)Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行定制,其具體方法如下。

首先,對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪和重新編譯,使內(nèi)核最大程度地適應(yīng)硬件平臺(tái),最優(yōu)化地支持系統(tǒng)外部設(shè)備,并盡量減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用,降低功耗;其次,對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行定制,保證文件系統(tǒng)的可靠性和小體積;最后,對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行重新配置,精確定制需要啟動(dòng)的服務(wù)和進(jìn)程,從而保證系統(tǒng)的低資源占用和高效率。

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件主要用來監(jiān)視和控制懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)作業(yè),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并顯示掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)、工作狀態(tài)等信息;遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)的各種動(dòng)作及機(jī)身各機(jī)構(gòu),控制掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行固定形狀斷面巷道的自動(dòng)掘進(jìn);實(shí)時(shí)在線顯示設(shè)備故障,并及時(shí)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和報(bào)警功能,提供維修和保養(yǎng)建議

監(jiān)控軟件為多進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行,其主要進(jìn)程模塊包括核心監(jiān)控進(jìn)程、顯示進(jìn)程、CAN通信進(jìn)程、以太網(wǎng)通信進(jìn)程。

核心控制進(jìn)程(MCS)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和處理以及接受用戶操作命令,是整個(gè)監(jiān)控軟件的核心;顯示進(jìn)程(GP)任務(wù)是將需要顯示的數(shù)據(jù)通過界面呈現(xiàn)給用戶并接受用戶輸入指令;以太網(wǎng)通信進(jìn)程(EP)用于控制以太網(wǎng)通信,主要功能是將從以太網(wǎng)中收到的數(shù)據(jù)傳送給MCS進(jìn)程,同時(shí)將MCS發(fā)出的信號(hào)通過以太網(wǎng)發(fā)送;CAN通信進(jìn)程(CP)用于控制CAN通信,主要功能是將CAN硬件收到的數(shù)據(jù)傳送給MCS進(jìn)程,同時(shí)將MCS發(fā)出的控制命令通過CAN總線發(fā)送給機(jī)載控制器。

4結(jié)語

以機(jī)載控制器PCC與嵌入式隔爆監(jiān)控計(jì)算機(jī)為主的懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過大于500米的CAN總線監(jiān)視和控制懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)作業(yè),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并顯示掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)等信息;控制掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行固定形狀斷面巷道的自動(dòng)掘進(jìn);實(shí)時(shí)在線分析設(shè)備故障,并及時(shí)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整和報(bào)警功能,提供維修和保養(yǎng)建議。