悬臂式掘进机远程监控系统设计及应用

刘小龙

（汾西矿业集团物资供销分公司， 山西 介休 032000）

0 引言

当前我国煤矿采掘机械化、自动化程度不断提高，对于综采综掘设备的要求也越来越高，尤其是巷道综掘机，需要具备较高的可靠性、较低的故障率以及精度效率方面的双保障。尤其是对于悬臂式掘进机来说，在我国井工煤矿的装备率越来越高，是掘进工作面当之无愧的核心设备，但由于掘进工作面较差的工况条件以及现有技术的局限性，掘进机远程监控系统的普及应用还存在较大的缺陷，主要表现在远程监控及远程控制技术虽然逐步推广应用，但在应用的实效性以及对安全生产工作的裨益方面还存在较大不足，还没有发挥出监控系统应有的能力[1-3]。针对我国在用悬臂式掘进机的工作特点，设计一套悬臂式掘进机的远程监控系统，并对系统的各项功能进行验证，促进该系统的推广应用。

1 悬臂式掘进机远程监控需求

悬臂式掘进机远程监控系统，应具备监控和控制两项最为基础的功能，具体来说，在实施全方位监控方面，可对掘进机实时状态参数进行采集、分析、记录并进行屏显，还应该实现以下功能：可实现掘进机各个操作动作的远程控制；可实施监测、采集设备运行的各项参数，分析各视角状态，与周围环境参数进行对比分析，作出相应的操作提示；可动态实施数据采集、记录、分析与显示；可实现数据的存储、查询、曲线生成；可实时进行声光信号报警及语音喊话；具有较高的可靠性、较低的故障率，具备故障诊断及自我保护功能。

2 悬臂式掘进机远程监控系统设计

2.1 系统总体结构设计及硬件结构搭建

根据远程监控系统的功能需求，设计系统的总体结构由集控计算机、远程监控平台、操作软件及终端数据采集器、控制器等组成，具体到硬件结构搭建方面，如图1 所示，电控箱及PCC 可编程计算机处于核心位置，PCC 是该系统的控制中枢，用以实现掘进机各项动作的控制及完成，设计选用贝加莱X20 系列PCC；通过以太网，与主工控机、副工控机相连，主副工控机的设计通过贝加莱OPC 与PCC 实现数据互通，两个工控机既相互分工，又可进行数据交换及控制切换，当主工控机因故障无法工作时，副工控机可临时获得系统控制权，确保系统功能不中断；主工控机连接录像机及数据采集器，通过高清摄像头及超声波测距传感器获得前段数据用以分析及控制；电控箱还接入倾角传感器、激光测距仪、油压传感器等，实时进行数据采集，获得马达转速、马达转矩、截割电机转速、工作电流、工作电压以及功率等参数值，通过分析，并与工况环境进行对比，进行监控及控制指令制定，实现远程监控及控制功能[4-5]。

图1 远程监控系统总体结构及硬件搭建示意图

2.2 系统软件结构及人机界面设计

综合考虑软件的功能达成、性能要求、研发成本、使用维护等问题，设计以PCC 可编程计算机为核心，在RS232 网络内，直接通过软件来驱动数据采集器进行数据采集，同步实施数据传输、分析及存储，在此过程中，依据Access 数据库进行数据分析，并动态更新补充数据库，数据库与组态软件之间进行数据互通与共享。同时，组态软件能够驱动双工控机，双工控机之间也按照TCP/IP 协议进行信息互通，可互相访问各自采集的数据、变量信息，并可进行数据备份，当主工控机发生故障时，副工控机可沿用现有的工作状态继续进行工作。

在系统软件结构搭建好后，需要建立合理的人机交互界面，方便操作使用，其原则一是在满足基本的功能需求后，尽可能简单，方便使用，降低内存及功耗；二是应符合标准的人机工程学，界面设计及操作设计符合常规操作习惯；三是远程控制可设计为遥控手柄，并与系统相连通，直接通过操作手柄来实现远程控制。

3 远程监控系统试验应用

3.1 试验系统搭建

首先必须搭建起试验系统，如图2 所示。掘进机样机按照要求配备油压、倾角、超声等传感器以及激光测距仪等装备，可对掘进机运行参数、掘进参数进行实时掌握，并接入终端传感器模块、急停模块、报警模块等，经过监控主机地址分配、终端数据采集上传、通信传输、故障信息研判、故障精准定位等各项试验，系统具备了实现各项功能的条件。其中，远程监控系统是整个试验系统的核心部分，可对掘进机各项参数进行全程监控，记录掘进试验过程中的全部数据，同时，可远程控制掘进机实施各种操作动作。

图2 搭建试验系统结构示意图

3.2 系统测试及应用

系统测试可通过验证掘进机位姿的精度来开展，试验及应用结果表明：

一是系统的通信时间方面，测试方法是由远程监控系统向掘进机发送1 组数据，然后接收返回的指令数据，在数据量远大于系统实际运行数据量的情况下，通信时间控制在0.01 s 级别，可以满足控制需求。

二是掘进机位姿精度方面，对掘进机的俯仰角、翻滚角、偏距、偏向角等参数进行测量，每隔5 m 测量一个数据，以俯仰角数据为例，其精度情况如表1 所示。在9 个不同的测量距离，与参考的俯仰角对比，系统测量数据的误差值最大为0.013°，精度比例为99.82%，误差值最小为0.007°，精度比例为99.90%。误差值控制在0.1°以内，精度控制在99%以上。其他参数精度值也均远超既定标准，证明设计的掘进机远程监控系统能够实施掌握掘进机的运行状态，并对掘进机实施精准的远程控制。

表1 远程监控系统俯仰角数据

4 结论

1）基于悬臂式掘进机特点及远程监控需求，设计由集控计算机、远程监控平台、操作软件及终端数据采集器、控制器等构成系统，具体到硬件结构搭建方面，核心部件是电控箱及PCC 可编程计算机，用以实现掘进机各项动作的控制及完成。

2）综合考虑软件的功能达成、性能要求、研发成本、使用维护等问题，对系统的软件结构及人机界面进行设计，操作方便，性能优异。

3）通过验证掘进机位姿的精度对系统进行测试，试验结果表明：系统能够很好地完成全流程的在线监测及远程控制，通信时间控制在0.01 s 级别，俯仰角误差值控制在0.1°以内，精度控制在99%以上，其他参数均可以满足掘进机位姿监测精度、定位定向及纠偏辅助等功能需求，达到了预期目的，具备推广应用价值。