懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計及應用

劉小龍

（汾西礦業(yè)集團物資供銷分公司， 山西 介休 032000）

0 引言

當前我國煤礦采掘機械化、自動化程度不斷提高，對于綜采綜掘設備的要求也越來越高，尤其是巷道綜掘機，需要具備較高的可靠性、較低的故障率以及精度效率方面的雙保障。尤其是對于懸臂式掘進機來說，在我國井工煤礦的裝備率越來越高，是掘進工作面當之無愧的核心設備，但由于掘進工作面較差的工況條件以及現(xiàn)有技術的局限性，掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的普及應用還存在較大的缺陷，主要表現(xiàn)在遠程監(jiān)控及遠程控制技術雖然逐步推廣應用，但在應用的實效性以及對安全生產工作的裨益方面還存在較大不足，還沒有發(fā)揮出監(jiān)控系統(tǒng)應有的能力[1-3]。針對我國在用懸臂式掘進機的工作特點，設計一套懸臂式掘進機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的各項功能進行驗證，促進該系統(tǒng)的推廣應用。

1 懸臂式掘進機遠程監(jiān)控需求

懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，應具備監(jiān)控和控制兩項最為基礎的功能，具體來說，在實施全方位監(jiān)控方面，可對掘進機實時狀態(tài)參數(shù)進行采集、分析、記錄并進行屏顯，還應該實現(xiàn)以下功能：可實現(xiàn)掘進機各個操作動作的遠程控制；可實施監(jiān)測、采集設備運行的各項參數(shù)，分析各視角狀態(tài)，與周圍環(huán)境參數(shù)進行對比分析，作出相應的操作提示；可動態(tài)實施數(shù)據(jù)采集、記錄、分析與顯示；可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、曲線生成；可實時進行聲光信號報警及語音喊話；具有較高的可靠性、較低的故障率，具備故障診斷及自我保護功能。

2 懸臂式掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體結構設計及硬件結構搭建

根據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，設計系統(tǒng)的總體結構由集控計算機、遠程監(jiān)控平臺、操作軟件及終端數(shù)據(jù)采集器、控制器等組成，具體到硬件結構搭建方面，如圖1 所示，電控箱及PCC 可編程計算機處于核心位置，PCC 是該系統(tǒng)的控制中樞，用以實現(xiàn)掘進機各項動作的控制及完成，設計選用貝加萊X20 系列PCC；通過以太網，與主工控機、副工控機相連，主副工控機的設計通過貝加萊OPC 與PCC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，兩個工控機既相互分工，又可進行數(shù)據(jù)交換及控制切換，當主工控機因故障無法工作時，副工控機可臨時獲得系統(tǒng)控制權，確保系統(tǒng)功能不中斷；主工控機連接錄像機及數(shù)據(jù)采集器，通過高清攝像頭及超聲波測距傳感器獲得前段數(shù)據(jù)用以分析及控制；電控箱還接入傾角傳感器、激光測距儀、油壓傳感器等，實時進行數(shù)據(jù)采集，獲得馬達轉速、馬達轉矩、截割電機轉速、工作電流、工作電壓以及功率等參數(shù)值，通過分析，并與工況環(huán)境進行對比，進行監(jiān)控及控制指令制定，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及控制功能[4-5]。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結構及硬件搭建示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件結構及人機界面設計

綜合考慮軟件的功能達成、性能要求、研發(fā)成本、使用維護等問題，設計以PCC 可編程計算機為核心，在RS232 網絡內，直接通過軟件來驅動數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)采集，同步實施數(shù)據(jù)傳輸、分析及存儲，在此過程中，依據(jù)Access 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)分析，并動態(tài)更新補充數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫與組態(tài)軟件之間進行數(shù)據(jù)互通與共享。同時，組態(tài)軟件能夠驅動雙工控機，雙工控機之間也按照TCP/IP 協(xié)議進行信息互通，可互相訪問各自采集的數(shù)據(jù)、變量信息，并可進行數(shù)據(jù)備份，當主工控機發(fā)生故障時，副工控機可沿用現(xiàn)有的工作狀態(tài)繼續(xù)進行工作。

在系統(tǒng)軟件結構搭建好后，需要建立合理的人機交互界面，方便操作使用，其原則一是在滿足基本的功能需求后，盡可能簡單，方便使用，降低內存及功耗；二是應符合標準的人機工程學，界面設計及操作設計符合常規(guī)操作習慣；三是遠程控制可設計為遙控手柄，并與系統(tǒng)相連通，直接通過操作手柄來實現(xiàn)遠程控制。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)試驗應用

3.1 試驗系統(tǒng)搭建

首先必須搭建起試驗系統(tǒng)，如圖2 所示。掘進機樣機按照要求配備油壓、傾角、超聲等傳感器以及激光測距儀等裝備，可對掘進機運行參數(shù)、掘進參數(shù)進行實時掌握，并接入終端傳感器模塊、急停模塊、報警模塊等，經過監(jiān)控主機地址分配、終端數(shù)據(jù)采集上傳、通信傳輸、故障信息研判、故障精準定位等各項試驗，系統(tǒng)具備了實現(xiàn)各項功能的條件。其中，遠程監(jiān)控系統(tǒng)是整個試驗系統(tǒng)的核心部分，可對掘進機各項參數(shù)進行全程監(jiān)控，記錄掘進試驗過程中的全部數(shù)據(jù)，同時，可遠程控制掘進機實施各種操作動作。

圖2 搭建試驗系統(tǒng)結構示意圖

3.2 系統(tǒng)測試及應用

系統(tǒng)測試可通過驗證掘進機位姿的精度來開展，試驗及應用結果表明：

一是系統(tǒng)的通信時間方面，測試方法是由遠程監(jiān)控系統(tǒng)向掘進機發(fā)送1 組數(shù)據(jù)，然后接收返回的指令數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)量遠大于系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)量的情況下，通信時間控制在0.01 s 級別，可以滿足控制需求。

二是掘進機位姿精度方面，對掘進機的俯仰角、翻滾角、偏距、偏向角等參數(shù)進行測量，每隔5 m 測量一個數(shù)據(jù)，以俯仰角數(shù)據(jù)為例，其精度情況如表1 所示。在9 個不同的測量距離，與參考的俯仰角對比，系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的誤差值最大為0.013°，精度比例為99.82%，誤差值最小為0.007°，精度比例為99.90%。誤差值控制在0.1°以內，精度控制在99%以上。其他參數(shù)精度值也均遠超既定標準，證明設計的掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠實施掌握掘進機的運行狀態(tài)，并對掘進機實施精準的遠程控制。

表1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)俯仰角數(shù)據(jù)

4 結論

1）基于懸臂式掘進機特點及遠程監(jiān)控需求，設計由集控計算機、遠程監(jiān)控平臺、操作軟件及終端數(shù)據(jù)采集器、控制器等構成系統(tǒng)，具體到硬件結構搭建方面，核心部件是電控箱及PCC 可編程計算機，用以實現(xiàn)掘進機各項動作的控制及完成。

2）綜合考慮軟件的功能達成、性能要求、研發(fā)成本、使用維護等問題，對系統(tǒng)的軟件結構及人機界面進行設計，操作方便，性能優(yōu)異。

3）通過驗證掘進機位姿的精度對系統(tǒng)進行測試，試驗結果表明：系統(tǒng)能夠很好地完成全流程的在線監(jiān)測及遠程控制，通信時間控制在0.01 s 級別，俯仰角誤差值控制在0.1°以內，精度控制在99%以上，其他參數(shù)均可以滿足掘進機位姿監(jiān)測精度、定位定向及糾偏輔助等功能需求，達到了預期目的，具備推廣應用價值。