EBH96懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

閆建軍

（霍州煤電集團(tuán)大地煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

引言

掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用大幅提升了橋梁、隧道、煤炭開(kāi)采等行業(yè)的施工效率，因此得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。礦用掘進(jìn)機(jī)主要被用于煤層的掘進(jìn)、開(kāi)采，也可對(duì)截割下來(lái)的煤礦進(jìn)行裝載和運(yùn)輸，同時(shí)具有自行運(yùn)動(dòng)的能力，通常由司機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)操作完成。但是由于巷道內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣，且人體勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)向著智能化、無(wú)人化方向快速發(fā)展，可有效提高掘進(jìn)機(jī)工作效率。

對(duì)掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作與行為進(jìn)行分析，可以確定遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，主要包括掘進(jìn)機(jī)行走部、回轉(zhuǎn)支撐液壓系統(tǒng)、舉升液壓系統(tǒng)以及刀盤的轉(zhuǎn)速等。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)掘進(jìn)機(jī)的監(jiān)控與操作，提高了掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)效率以及對(duì)操作人員的安全保障，所以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義[1]。

1 EBH96掘進(jìn)機(jī)概述

掘進(jìn)機(jī)型號(hào)與種類繁多，但基本的結(jié)構(gòu)類似，以EBH96型掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)該型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、性能參數(shù)做簡(jiǎn)要介紹。掘進(jìn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括掘進(jìn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、走行機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。掘進(jìn)機(jī)是一款綜合性大型設(shè)備，其包含了巖層的截割、行走、運(yùn)載等功能，該型掘進(jìn)機(jī)還具有尺寸小、操作靈活、工作效率高等特點(diǎn)。

EBH96型掘進(jìn)機(jī)最大掘進(jìn)高度4.2 m，最大掘進(jìn)寬度為6.0 m，爬坡能力±16°，其生產(chǎn)能力可達(dá)60 m3/min。掘進(jìn)機(jī)通過(guò)性較好，最小離地間隙為210 mm，設(shè)備總裝機(jī)功率為130 kW，設(shè)備總外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8 120 mm×1 750 mm×1 600 mm，如圖1所示的掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖[2]。

圖1 EBH96型掘進(jìn)機(jī)實(shí)物圖

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制功能需求的分析，并參考其他相關(guān)的控制設(shè)計(jì)，確定本控制系統(tǒng)的總體方案。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)控采集、控制系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、信息顯示和控制執(zhí)行等，以下對(duì)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹，如圖2所示，為控制系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系圖，下面對(duì)其中主要的子系統(tǒng)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖2 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程線控系統(tǒng)功能圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

主要是在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上布置各型傳感器，負(fù)責(zé)采集車身的電機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)壓力和液壓閥的狀態(tài)、車身姿態(tài)、截割部定位信息等。數(shù)據(jù)的采集是為了盡可能反應(yīng)出機(jī)器運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，是電氣控制的基礎(chǔ)、控制的依據(jù)[3]。

2.2 控制系統(tǒng)

其主要邏輯是由傳感器采集的數(shù)據(jù)由邏輯控制器（PLC）進(jìn)行處理，輸出對(duì)控制器的指令，從而達(dá)到對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)的控制，同時(shí)控制系統(tǒng)可將信息進(jìn)行顯示或由人工進(jìn)行控制。

2.3 控制執(zhí)行

控制執(zhí)行系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自控制器或者人工遠(yuǎn)程操作的控制命令，將命令信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作控制信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的控制。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控對(duì)于判斷掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)環(huán)境、姿態(tài)具有重要幫助，將采集到的視頻信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回地面控制中心，保證了操作人員對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

3 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括電氣控制、功能相關(guān)的控制以及操作臺(tái)信息顯示系統(tǒng)，如圖3所示，為控制系統(tǒng)軟件組成結(jié)構(gòu)示意圖。使用相對(duì)獨(dú)立的三套子系統(tǒng)，各自之間分工明確，同時(shí)相互協(xié)調(diào)完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的控制。

圖3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)主要包括掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的電流、電壓傳感器以及液晶顯示系統(tǒng)的控制，本系統(tǒng)中對(duì)于相關(guān)參數(shù)的控制使用了PLC程序控制，程序編程在此不再一一列舉。

3.2 功能系統(tǒng)

主要是掘進(jìn)機(jī)傳感器參數(shù)的采集與識(shí)別，控制器根據(jù)傳感器所采集的信息，分析后由PLC模塊輸出給運(yùn)動(dòng)放大卡，控制比例電磁閥，從而控制掘進(jìn)機(jī)相關(guān)油缸動(dòng)作。

3.3 操作臺(tái)

地面操作中心主要包括顯示器以及操作控制系統(tǒng)，顯示器主要用于顯示掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)的視頻監(jiān)控信息，控制器則提供了掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的控制按鈕。在控制中心的人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式操作[5]。

4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的通信設(shè)備是實(shí)現(xiàn)其具體功能的基礎(chǔ)，通信總線采用的是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)控制總線方式，其傳輸速率可達(dá)30 MB/s，可靠性好，使用維護(hù)方便。根據(jù)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)的某些傳感器的選型做簡(jiǎn)要分析說(shuō)明。

4.1 測(cè)距儀

選擇了工業(yè)級(jí)專用的激光測(cè)距儀，用以檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)和巷道間的距離，以此保障掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的安全。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用情況，選擇了5個(gè)SPL-C4型激光測(cè)距儀，該測(cè)距儀測(cè)量范圍為0.1～12 m，測(cè)量誤差小于0.1 m，工作電壓12 V，傳感器響應(yīng)時(shí)間小于4 s，共包含3個(gè)輸出端口[6]。

4.2 直線位移傳感器

掘進(jìn)機(jī)大部分工作部件的動(dòng)作均是由液壓缸驅(qū)動(dòng)，而液壓缸的動(dòng)作可由直線位移傳感器進(jìn)行采集，從而準(zhǔn)確地獲取把控掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作。在此選擇了LCS-16的直線位移傳感器，該傳感器測(cè)量行程為0～800 mm，測(cè)量誤差范圍為0.1%，工作電壓12 V，如圖4所示為該傳感器實(shí)物圖。

5 掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，構(gòu)建了一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的操作與控制和狀態(tài)監(jiān)控。如圖4所示，為地面控制中心控制系統(tǒng)的登錄界面，軟件的具體編程過(guò)程由專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作完成，在此不再贅述。

圖4 控制系統(tǒng)登錄界面

本掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)被應(yīng)用于實(shí)際巷道掘進(jìn)之中，并對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果顯示控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)的視頻監(jiān)控、掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的控制效果良好，極大地提高了掘進(jìn)機(jī)的工作效率，同時(shí)提高了操作人員工作環(huán)境的安全性。

6 結(jié)論

本套掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)踐，后期對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、安全性，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)掘進(jìn)機(jī)的控制，對(duì)于提升掘進(jìn)機(jī)工作效率具有重要意義。