懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

豆曙杰

摘 要：現代礦山采掘比例失調是影響煤炭開采速度的主要因素，因此快速綜掘技術的研究具有重要的現實意義。掘進機在巷道掘進中發(fā)揮著至關重要的作用，掘進巷道以布置采煤工作面。掘進機遠程監(jiān)控技術是發(fā)展綜合機械化掘進、提高掘進效率、保障安全生產、降低勞動強度的重要一環(huán)，近年國內外正逐步深入對掘進機遠程控制技術及監(jiān)測系統(tǒng)的研究，遠程控制技術及監(jiān)測是煤巷掘進裝備的必然發(fā)展趨勢。本文構建了懸臂式掘進機遠程控制與監(jiān)測系統(tǒng)總體結構，并分析了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構成和軟件結構，分別對機載控制器、遠程監(jiān)控軟件、遠程監(jiān)測軟件進行了總體設計

關鍵詞：懸臂式掘進機；遠程監(jiān)控系統(tǒng)；機載控制器PCC

1 懸臂式掘進機主要結構及工作原理簡介

本文以懸臂式縱軸掘進機EBZ200為對象開展研究。懸臂式掘進機EBZ200適用于半煤巖和煤的井下巷道掘進，截割斷面寬度為6.5m，高度為5.2m，可截割單向抗壓強度為80MPa的煤巖。

懸臂式掘進機EBZ200主要結構由以下十個部分組成：截割部、截割臂、前鏟板部、本體部、行走部、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、后支撐、第一運輸機、回轉臺。此外，懸臂式掘進機還具有噴霧除塵系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)，噴霧除塵系統(tǒng)由噴霧裝置和專用水泵組成，主要是為了整機的冷卻和抑制截割時產生的粉塵和火花。

目前國內巷道掘進主要采用司機通過操作控制按鈕、機體搖桿的方式控制截割電機啟停與轉速、截割臂升降和左右搖擺、左右履帶的行走，最終截割出期望斷面。

2 監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

懸臂式掘進機遠程控制與監(jiān)測系統(tǒng)主要用來在距離掘進機500～1000米處控制掘進機進行巷道掘進與監(jiān)測掘進機工作設備的相關參數，還可以通過礦井環(huán)網監(jiān)測掘進機的狀態(tài)，主要功能包括以下幾個方面。

（1）通過傳感器實時采集并顯示掘進機設備的運行參數、工作狀態(tài)等信息，例如進線電壓、截割電機電流、油缸油壓、油缸位移、機身姿態(tài)、截割電機工作時間等參數。

（2）通過視頻信息與井下監(jiān)控軟件所提供的信息在距離掘進機500～1000米遠程控制掘進機行走、按照設定要求自動截割斷面、糾偏。

（3）在距離掘進機500～1000米處通過懸臂式掘進機監(jiān)控軟件實時在線分析設備運行情況，并及時對工作狀態(tài)進行調整和報警功能，提供維修和保養(yǎng)建議。

（4）歷史數據保存、顯示，設備故障報警等功能。

（5）網絡發(fā)布掘進機的工作狀態(tài)及作業(yè)信息，提供信息共享服務。

（6）掘進機具有無線遙控功能，通過無線遙控手柄可以控制掘進機的執(zhí)行機構按照要求進行動作。

（7）通過Internet網絡可以遠程監(jiān)測掘進的相關參數，并具備故障報警功能。

（8）具有視頻遠程傳輸功能，通過Internet網絡可以實時監(jiān)視掘進的工作。

3 監(jiān)控系統(tǒng)總體技術路線

掘進機在巷道掘進過程中既要保證人身安全又要保證巷道掘進效率與質量，因此深入研究掘進機遠程控制與監(jiān)測技術顯得十分重要。掘進機遠程監(jiān)控技術主要涉及自動化、通信、安全采礦、傳感與檢測、液壓傳動等技術，本文主要研究監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件總體設計。

總體技術路線的實施包括以下四個方面：首先是構建懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構；對監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計與選型，包括建設監(jiān)控系統(tǒng)通信網絡和研制隔爆兼本案型監(jiān)控計算機、本案型鍵盤、無線遙控手柄、無線接收機、隔爆監(jiān)視器、隔爆攝像頭及其機身傳感器等設備；掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)設計，包括掘進機本體控制器控制程序、井下遠程監(jiān)控軟件、地面遠程監(jiān)測軟件三個部分；進行掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術整合與工業(yè)性試驗。

4 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構總體設計

針對懸臂式掘進機EBZ200研制一套懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合計算機、自動控制、通信等信息科學的技術，完成掘進機遠程控制與監(jiān)測。掘進機控制方式有本機手動控制、無線遙控、遠程遙控。其中本機手動控制為司機直接操作控制手柄，通過操作手柄控制換向閥，驅動各工作油缸及液壓馬達動作，實現掘進作業(yè)。無線遙控由司機操作遙控發(fā)射器在掘進機附近控制掘進機。遠程控制由司機在500米外操作無線遙控手柄或者隔爆兼本案型工業(yè)監(jiān)控計算機實現掘進機的遠程操作。

在EBZ200掘進機機身主電控箱內安裝貝加萊公司的CP476主控制系統(tǒng)，主要用來采集由機身傳感器采集來的數據，如電源電壓、截割電機電流、油缸油壓、截割電機繞組溫度、機身傾角等，同時掘進機控制系統(tǒng)還要控制相關執(zhí)行機構進行工作。

在距離掘進工作面500～1000米距離，設置井下監(jiān)控硐室放置監(jiān)控主機與視頻監(jiān)視器，工作人員通過視頻信息與懸臂式掘進機遠程監(jiān)控軟件所提供的信息操縱掘進機進行工作，監(jiān)控主機為整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心。

隔爆兼本案型監(jiān)控計算機通過交換機接入礦井環(huán)網，與同時接入環(huán)網的地面主機高速連接，將各種狀態(tài)信息及時傳送至網絡。地面監(jiān)測計算機接收井下監(jiān)控主機傳入環(huán)網的數據，從而使掘進機的各種可共享信息通過井上主機發(fā)布。

5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體結構設計

本項目中懸臂式掘進機EBZ200監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要由三個部分構成：機載控制器運行軟件、遠程監(jiān)控軟件和地面遠程監(jiān)測主機運行軟件。

機載控制器運行軟件主要負責采集安裝于掘進機身的電壓傳感器、電流傳感器、油溫傳感器、油壓傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、瓦斯傳感器等數據信息，并將采集的數據經過智能控制程序處理后將結果輸出到相應的執(zhí)行機構。機載控制器通過CAN總線網絡將采集的數據送至監(jiān)控主機，并接收來自井下監(jiān)控主機的控制命令，將該控制命令進行運算后輸出到執(zhí)行機構。

井下主機監(jiān)控軟件是整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心軟件，此軟件運行于linux系統(tǒng)，運用C語言開發(fā)，具有很高的可靠性與實時性，負責絕大部分的人機交互、作業(yè)控制、數據分析和故障診斷。

地面遠程監(jiān)測主機在距離工作面500～20000m的地面調度中心，在掘進機掘進作業(yè)過程中，工作人員在地面上能夠實時監(jiān)測掘進機截割電機的運行狀態(tài)，實時顯示掘進機的工作位置、姿態(tài)、截割頭的位置等信息，并實現遠程故障診斷和報警功能。地面遠程監(jiān)測計算機還具有歷史數據保存、顯示和打印功能。地面主機軟件為地面工作人員提供一個監(jiān)視平臺，按設計要求該軟件不具備控制功能。

6 小結

本文以EBZ200懸臂式掘進機為基礎，結合計算機、自動控制、通信等信息科學的技術，構建了懸臂式掘進機遠程控制與監(jiān)測系統(tǒng)總體結構，并分析了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構成和軟件結構，分別對機載控制器、遠程監(jiān)控軟件、遠程監(jiān)測軟件進行了總體設計。

參考文獻

[1] 中國煤炭工業(yè)協(xié)會.中國煤礦機械化生產情況年度報告[R].2008.

[2] 王虹.我國綜合機械化掘進技術發(fā)展[J].煤炭學報，2010，10（35）.

[3] 王道斌.懸臂式掘進機巷道斷面成形控制的研究[D].重慶：重慶大學碩士學位論文，2008.

[4] 黃日恒.懸臂式掘進機[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1996.

[5] 李鋒，劉志毅.現代采掘機械[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007（3）.

[6] 李躍宇，吳志海，陶崢.AM-50掘進機縱軸截割方式的研究[J].礦山機械，2000（9）：12-13.

[7] 劉雪，李曉豁.掘進機縱橫兩種截割頭的特點及其性能比較[J].遼寧工程技術大學學報，2005（24）.