掘进机远程智能监控平台设计应用*

李江斌

(晋能控股煤业集团赵庄煤业，山西 长治 046000)

0 引 言

掘进机是煤矿井下综掘工作面的核心设备，集截割、装载、运输、行走等功能与一体，广泛应用于煤矿巷道掘进工作。掘进机工作环境恶劣，粉尘、瓦斯以及机体本身时刻威胁掘进机司机生命安全。随着综掘工作面智能化、信息化建设的不断推进，综掘巷道环境监测、巷道成型技术日趋成熟，掘进机远程控制成为可能。掘进机远程智能监控平台即完成掘进机的远程方向控制、动作控制以及断面成型，提高掘进效率、优化工作特性、延长机械设备使用寿命，为实现综掘工作面的少人化、无人化提供条件[1-2]。德国DBT等公司将控制切割面成型及方向导航系统因公与掘进机控制，实现了行驶角度控制、切割面成型、位置检测等功能；奥地利公司采用激光束、光电传感器等设备捕获掘进机截割臂位置参数，并成功在AM65、AM75型掘进机中使用；国内的郑州煤机、佳木斯煤机、易联创安等企业将电液控制技术、遥控技术、可视化技术应用于掘进机远程控制并在AM-50型掘进机上应用，可在距离25 m位置对掘进机进行远程控制[3-5]。笔者采用DSP与CPLD相结合的掘进机远程控制技术，实现对真实掘进机的远程控制，保证掘进机司机安全、健康工作。

1 系统总体方案设计

掘进机远程智能监控平台设计的目标是可实现掘进机的远程监视和远程控制，提高掘进机的掘进效率、降低掘进机司机的劳动量、改善掘进机司机的工作环境、保证掘进机司机身心安全，为掘进机的智能化、无人化设计提供一种解决思路。

掘进机远程智能监控平台总体方案设计原理如图1所示。

图1 掘进机远程智能监控平台总体方案设计原理

远程监控平台发出动作指令，经过PLC控制系统的模块解析、处理后直接控制真实掘进机；安装在真实掘进机机身的传感器器周期性采集数据并传送至PLC控制器系统模块，经该模块A/D转换、阈值判断后发送给掘进机远程监控平台。在掘进机远程监控平台中，需建立掘进机远程控制模型，依据该控制模型进行数据、状态显示，并完成逻辑控制功能；掘进机运动学正反解运算用于对掘进机位姿、截割头运动轨迹等数据进行运算并判断截割头、位姿的下一个状态。

2 硬件设计

选用DSP2812+CPLD作为掘进机远程控制系统，DSP通过CAN总线通讯接收惯导数据以及其他辅助数据，进行运算处理后获取掘进机位姿、截割头轨迹、伸缩油缸位移、截割臂运动状态等信息[6]，通过D/A通道输出电流进行控制掘进机电液比例阀，实现掘进机的远程控制。为保证掘进机沿巷道方向掘进，利用激光定位原理，对获取的巷道图像进行处理，利用激光光斑识别算法、激光光斑跟踪算法实时采集掘进机的俯仰角和滚动角，根据激光光束实时测量掘进机的水平方位角，并以此控制掘进机沿该方向掘进。掘进机远程智能监控平台的DSP2812 模拟量端口分配表如表1所列。

表1 DSP2812 模拟量端口分配表

3 软件设计

3.1 CAN总线通讯协议设计

掘进机远程监控平台与PLC控制系统系统模块以CAN总线通讯进行数据传输与交互，通讯协议如表2所列。采用29位扩展帧格式，通讯连接ID为0x18EF7010-0x18EF7017，内容中的功能码为0x01时为报文开始标志；0x02表示读取操作；0x03表示写入操作；0x04表示报警；0x07表示报文结束。为实现掘进机远程控制，在其他ID上传送的核心数据有掘进机机身位姿信息、截割参数、电磁阀信息以及报警BIT图等。

表2 掘进机远程监控平台与控制系统CAN总线通讯协议

3.2 线程设计

掘进机远程智能监控平台软件基于Microsoft Visual Studio以及QT开发平台实现，根据定义的PLC控制系统模块与监控平台CAN总线通讯协议实现对掘进机运行工况数据的获取、显示、存储以及控制[7-9]。为提高监控平台对控制指令响应的实时性，设计多线程编程方案，如图2所示，启动主线程用于监控平台数据更新；启动辅助线程1用于处理解析CAN总线通讯数据；启动辅助线程2用于存储数据。三线程并发执行且可进行数据交互和共享。

图2 掘进机远程智能监控平台软件系统多线程设计

4 系统验证

在实验室环境对设计并实现的掘进机远程智能监控平台进行系统调试与验证。

试验时所需的设备包括计算机、悬臂式掘进机、PLC控制系统模块、传感器、电源以及远程监控平台系统等。选用EBZ220悬臂式掘进机并按照1:4比例简化制造代替真实掘进机[10]，在掘进机机身适当位置安装超声波、压力、流量、温度、位移传感器，同时安装陀螺仪惯性导航系统。图3所示为掘进机远程监控平台控制器，图4所示为监控平台主界面。

图3 掘进机远程控制器 图4 掘进机远程监控平台

(1) 截割头摆角验证 由掘进机远程控制器控制截割臂摆动，旋转编码器周期性采集截割头的水平摆角并对摆角的实际值、测量值进行统计，形成表1所示。根据掘进机截割头摆角的实际值与测量值误差评价该远程监控平台的控制精度。由表3可知，截割头摆角误差精度在±0.68°之内。

表3 悬臂式EBZ220掘进机截割头摆角测量数据/(°)

(2) 自动截割功能验证 由掘进机远程控制器按下“自动截割”功能键后，掘进机开始自动截割过程，其实际截割轨迹与理论轨迹效果如图所示，其中直线为理论截割轨迹，曲线为实际截割轨迹。由图5可知，经过远程控制平台进行掘进机自动截割时效果较好。

图5 掘进机远程控制截割轨迹

5 结 语

掘进机是煤矿井下综掘工作面的重要设备，随着煤矿智能化、信息化进程的不断推进，掘进机的远程智能控制成为亟需解决的问题。文中设计智能型掘进机远程控制平台，通过CAN总线通讯可将远程控制平台的控制指令实时发送给掘进机PLC控制系统，实现掘进机的行走、截割头运动、截割臂控制以及自动截割等功能，减轻了掘进机司机的劳动强度，提供健康、安全的劳动环境。