基于嵌入式Linux平台掘进机远程监控系统

肖铁锁

摘 要:悬臂式掘进机远程监控系统是实现综掘面自动化的关键技术。该研究基于贝加莱公司的可编程计算机(PCC)、嵌入式工业监控计算机、Linux操作系统、CAN总线通讯的悬臂式掘进机远程监控系统。通过对发行版Linux操作系统的内核重新编译、文件系统定制和启动配置构建了一套高性能的监控软件平台;在地面试验和井下试验表明:悬臂式掘进机远程监控软件具有运行稳定可靠、功能强大等特点,满足现场控制要求。

关键词:远程监控Linux操作系统PCC嵌入式工业监控计算机

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0006-01

现代煤矿采掘失调使综掘关键技术的研究成为热点,悬臂式掘进机作为煤巷综掘核心装备,掘进机是煤矿生产的重要装备,主要用于巷道的挖掘,以布置采煤工作面。悬臂式巷道掘进机技术是发展综合机械化掘进、提高掘进效率、保障安全生产、降低劳动强度的重要一环。国内外掘进机的重要发展方向是操作控制方式的自动化、智能化、信息化和数字化,逐渐发展为掘进机器人。近年来国内外正逐步深入对掘进机远程控制技术及监测系统的研究,表明这是煤巷掘进大型装备的必然发展趋势。

1掘进机远程监控系统组成与工作原理

悬臂式掘进机综合远程监控系统,结合计算机、自动控制、通信等信息科学的技术,完成悬臂式掘进机远程控制。在掘进机截割作业时,工作人员通过该视频画面与悬臂式掘进机远程监控软件,可以确定掘进机当前的工作状况,该监控软件也可发出信号开、油泵启、油泵停、自动截割、截割暂停、截割继续、截割全停、复位、清屏控制指令,控制掘进机按照已定要求进行自动截割,此隔爆监控计算机为远程监控系统的核心。总体来讲,悬臂式掘进机远程监控系统的总体结构:机载控制器PCC→CAN转光纤模块→光纤转CAN模块→隔爆监控计算机→显示屏。

机载控制器PCC位于悬臂式掘进机机身,CAN转光纤模块将PCC中的掘进机运行参数信息转化为光纤信号,通过光纤将信号传到远程,在远程通过CAN转光纤模块将光纤信号转化为CAN信号,通过CAN总线与隔爆监控计算机相连,实现对掘进机的远程状态监测和控制。井下隔爆监控计算机位于距掘进工作面相对安全区域,完成掘进作业操作人机交互功能。

2掘进机远程监控系统硬件设计

2.1 机载控制器PCC

机载控制器采用贝加莱公司的2005系列PCC,PCC(Programmable Computer Controller)是一种可编程计算机控制系统,由CPU、I/O接口、电源、通信模块等组成,PCC实现了系列化、模块化、标准化的设计,使其具有设计安装容易、调试周期短、维护简单等特点。其所有的输入输出接口电路均采用光电隔离,可有效抑制外部干扰源对PCC的影响,适合应用于煤矿井下的恶劣环境。另外,PCC模块品种丰富,通信接口完善,配置简单,容易组网通信。将PCC安装于掘进机机身的防爆腔内,各I/O口连接到相应的传感器等输入设备和电磁阀等执行机构,从而构成悬臂式掘进机基本电控系统。

PCC与隔爆监控计算机之间采用CAN通信方式,CAN通信具有抗干扰性强、实时性好等特点,适合于如井下等恶劣环境中进行数据传输。

2.2 隔爆监控计算机

为保证悬臂式掘进机远程监控的实时性和可靠性,本项目研发基于PC/104的嵌入式隔爆监控工业控制计算机作为远程控制主机。

远程控制主机是悬臂式掘进机远程监控系统的重要组成部分,需要监测悬臂式掘进机的工作状态,控制悬臂式掘进机进行煤矿巷道掘进作业,同时还需具备同地面调度室计算机联接通信的接口和能力,可通过井下以太网与井上调度室中的地面主机进行数据通信,从而实现在地面对悬臂式掘进机工作状态的监视。其硬件结构如图1所示。

控制模块采用PC/104核心板,该核心板类似于普通电脑主板;存储模块采用1个80G的固态硬盘;输入设备使用工业级触摸板键盘;输出设备主要为显示设备;通讯模块选用CSD扩展板,4个异步串行口、2个非智能CAN接口、1个8255兼容的I/O口和3个USB本安接口。

3掘进机远程监控系统软件设计

监控软件运行于嵌入式Linux平台,该平台的健壮性是监控软件健壮性的基础,为了保证平台的健壮性,对Linux操作系统进行定制,其具体方法如下。

首先,对Linux内核进行裁剪和重新编译,使内核最大程度地适应硬件平台,最优化地支持系统外部设备,并尽量减少对系统资源的占用,降低功耗;其次,对文件系统进行定制,保证文件系统的可靠性和小体积;最后,对系统启动进行重新配置,精确定制需要启动的服务和进程,从而保证系统的低资源占用和高效率。

掘进机远程监控软件主要用来监视和控制悬臂式掘进机的自动作业,实时数据采集并显示掘进机设备的相关参数、工作状态等信息;远程控制掘进机的各种动作及机身各机构,控制掘进机进行固定形状断面巷道的自动掘进;实时在线显示设备故障,并及时对工作状态进行调整和报警功能,提供维修和保养建议

监控软件为多进程同时运行,其主要进程模块包括核心监控进程、显示进程、CAN通信进程、以太网通信进程。

核心控制进程(MCS)负责数据分析和处理以及接受用户操作命令,是整个监控软件的核心;显示进程(GP)任务是将需要显示的数据通过界面呈现给用户并接受用户输入指令;以太网通信进程(EP)用于控制以太网通信,主要功能是将从以太网中收到的数据传送给MCS进程,同时将MCS发出的信号通过以太网发送;CAN通信进程(CP)用于控制CAN通信,主要功能是将CAN硬件收到的数据传送给MCS进程,同时将MCS发出的控制命令通过CAN总线发送给机载控制器。

4结语

以机载控制器PCC与嵌入式隔爆监控计算机为主的悬臂式掘进机远程监控系统通过大于500米的CAN总线监视和控制悬臂式掘进机进行自动作业,实时数据采集并显示掘进机设备的相关运行参数、工作状态等信息;控制掘进机进行固定形状断面巷道的自动掘进;实时在线分析设备故障,并及时对工作状态进行调整和报警功能,提供维修和保养建议。