基于 UWB 的煤矿井下设备自动控制方法

陈伟崇，赵海伟，郭文孝

1国能榆林能源有限责任公司 陕西榆林 719000

2中国煤炭科工集团太原研究院 山西太原 030006

3山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

我国煤矿智能设备发展迅速，各种类型的煤矿机器人相继涌现出来，通过协同控制可以形成减人、便于操控、降低劳动强度等多个优势。但目前采掘工作面设备以单机控制为主，在多个设备同时动作时，需要多个操作者同时操作控制，或者由一个操作者对设备进行轮流操作，不能适应智能矿井的发展趋势。单机操作时，无法及时对各设备的系统状态进行评估，导致设备之间协调性差，工作效率低。同时多人兼顾配合，否则易产生堆煤、碰撞、甚至伤人事故。无线测距传感器可实现煤矿设备自动顺序控制，可以有效地避免此类事故发生，且设备之间进行闭锁等逻辑控制，以防止无关人员进行误操作。

1 系统的基本原理

煤矿设备自动控制系统 (Automatic Device Control System) 是指按照受控执行机构的预定动作顺序，根据相应的步进条件，逐步实施的自动控制系统。受控装置一般为煤矿机械设备，其动作顺序不变或较为固定。在这个控制系统中，主信号主要来源于开关，其中包括接触式或非接触式行程开关、光电开关、簧片开关以及霍尔元件开关，而有时候也会将信号转换元件如压力继电器或时间继电器作为某些步进控制信号，以实现更精确的控制效果。

为了使顺序控制系统可靠地工作，通常采用步进顺序控制电路来实现。所谓阶梯式顺序控制，是指前一步必须通电且该步骤的阶梯式主信号已经发出的情况下，控制系统的任何程序步骤的电源都必须被控制。对于煤矿机械来说，受控设备的每个阶段的实施都取决于是否具有输出信号的前一步，受控机械动作是否完成，以及指控系统的机械都是在这个阶段实现。这个控制系统是紧密联锁的，即使步进开关的主信号元件出现故障或操作失误，动作顺序不会混乱。

UWB 技术是使用 1 GHz 以上频率的无线通信技术。UWB 不使用正弦载波，而是使用用纳秒级的窄脉冲传输数据。UWB 所占的频谱范围很大，其数据传输速率可以达每秒几百兆比特以上。UWB 技术使用超宽基带脉冲进行通信，主要用于军用雷达、定位和低截获率的通信系统中。2002 年 2 月，美国联邦通信委员会发布了民用 UWB 设备使用频谱和功率的初步规定。该规定中，在 3.1～10.6 GHz 频段中传输数据带宽大于 500 MHz 的通信系统称为 UWB 系统。

UWB 测距的主要测距方法为双向飞行时间法(TW-TOF，two way-time of flight) 每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块 A 的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号；模块 B 在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块 A 在自己的时间戳Ta2时刻接收。由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S[1-2]。

式中：c为光速，m/s。

1.1 硬件组成

协同控制系统基本单元主要由 E、F2 套电气控制系统组成，如图1 所示。电气控制 E 主要包含操作箱、人机界面、传感器、照明灯、变频器、电动机、无线测距等设备；电气控制 F 主要包含操作箱、人机界面、遥控器、传感器、照明灯、无线测距、电动机、电磁阀等设备。电气控制 F 保持基本静止状态，电气控制 E 进行往返运动，两者之间通过无线测距模块进行信息互通。此协同控制系统的优势在于结构简单、维护成本低、便于改造。借助此系统可实现多个设备协同控制，对煤矿智能化发展具有实质性的提升。

图1 协同控制系统组成Fig.1 Composition of cooperative control system

单台设备必备元器件主要包括主控制器、RJ45网络、CAN 通信、无线测距传感器等。单机设备需支持 TCP/IP 协议或 CAN、CANopen 协议。以倍福 CX8050 控制器为例，主控制器 PLC 内存为 512 MB，配有 1 个 Ethernet 网络接口，1 个 CAN 主站接口。PLC 程序执行周期为 20 ms，支持 RS-485或 TCP/IP 等通信协议。PCL 编程中，定义数组变量：UWB_Data 在读写寄存器初始地址为 0 的数组[0..7]，数据类型为 BYTE，将测距传感器数据读回，协议为 CANopen 通信协议，读取频率为 PLC 的刷新频率，即 50 Hz。

与传统通信技术相比，UWB 的主要特性是不需要使用传统通信体制中的载波，而是利用具有纳秒级的极窄脉冲传输数据，因此其频谱范围很大，从而携带更多的信息，尤其在抗多径干扰及信息传输安全上具有先天优势。

该测距传感器为自研设备，无线测距传感器额定工作电压为 DC 24 V，工作电流≤ 0.30 A，测量范围为 0.1～55.0 m，信号输出为标准 CAN 协议。传感器作为一种非接触式测量，可用于测量相互之间的距离。两个传感器均在上电状态时，通过互相测距，可将距离数据实时发送回 PLC 控制器[3]。

1.2 软件设计

单台设备流程如图2 所示。单机系统中，在上电后系统首先进行自检，自检信号包括前后设备通信信号、自身传感器信号、集中控制器信号等，所有信号均正常后将处于待机状态，等待本机控制器命令下发或集中控制器集中控制命令下发。

图2 单台设备控制流程Fig.2 Single device control process

各单机设备在系统控制软件运行过程中，向集中控制器发送自检结果，集中控制器根据无线测距传感器等多种技术参数为输入量，建立设备运行状态与强扰动环境中传感器模糊关系模型，以系统行走、转载等为输出量，实现系统自主判断、自主决策的目的。

在整个系统的使用过程中，由基于 UWB 技术的测距模块对前后级设备进行实时测距。软件中设置一个可调整的距离阈值，当检测到前级设备距离到达阈值范围内，后级设备在短暂延时后，执行设备运行指令，如泵站电动机启动、运输电动机启动等，启动时为防止对电网产生瞬间冲击，影响整体控制系统，不同的执行动作需分布进行，每一步执行之后短暂延时，再继续执行下一步。当前级设备与后级设备的距离超出设定阈值范围后，后级设备一般会延时停止，延时时间可调。以上为一个完整循环[4]。

软件设计中需考虑多种情况，对整体控制逻辑应形成闭环，防止出现特殊情况导致系统混乱，如当前级设备进入设定阈值范围内后，后级设备在未完成执行所有动作的情况下，前级设备退出范围阈值时，此时后级设备的运行状态应立即中断顺序执行状态，改为执行延时停止的状态，由此可确保系统运行稳定。

2 电气控制系统总体构成

2.1 电气系统的构成

煤矿巷道维修设备的电气控制系统主要涉及到主电控箱、驱动电动机、操作箱、遥控器、各类传感器、照明灯等组件。

电气控制系统的总体设计显示了电气部件之间通过 CANopen 协议进行通信和现场信号采集。道路维修设备电气控制功能的最终实现取决于每个电气部件的可靠运行[5]。

2.2 电气系统的控制

该系统以 PLC 为控制器，以 CAN 协议嵌入式控制系统为基础，实现电动机启停控制，实时读取传感器数据，全面保护电动机，同时监测运行状态。控制系统 CAN 总线拓扑结构如图3 所示。

图3 CANopen 总线结构Fig.3 CANopen bus structure

主控制器负责控制电动机，采集 I/O 端口和模拟量端口的数据，并通过 PWM 输出控制电液比例阀的动作，并且人机界面可以实时显示整个电控系统的工作状态和设备运行参数。

遥控系统通过遥控接收机接收遥控发射机的控制信号并传输至总线，总线结点通过 CAN 网络实现数据快速、可靠、稳定的传输[6]。

2.3 电气系统的程序设计

主控制器和从控制器的编程软件 TwinCAT 和CODESYS 符合 IEC 61131-3 国际标准，并提供多种编程语言。控制程序主要使用结构化语句编程语言(ST) 来实现各种功能 (Structure)。

控制系统程序包括主程序、CANopen 通信子程序、电液比例阀控制子程序、控制马达子程序以及断电保持子程序等。

作为 CANopen 主站的控制器，负责 CANopen 网络的运维，对多个控制器之间的通信节点进行检查和组建，配置网络节点设备 OD (节点) 和节点站号，使从控制器开机至初始化，并将从属控制器加入作为网络从属节点 (Control)。主节点监测 CANopen 总线上各节点的心跳消息，并端盘各个节点的通信状态。每个导引消息从节点发送到主控制器，使主节点能够判断出每个从节点进入了预先工作状态。主节点采用 PDO 信息的同步循环模式，实现双方信息的双向读写；PDO 信息在 CANopen 网络上实现一对多数据的传输，PDO 信息在 CANopen 网络上读写图像地址区，每个节点可以根据图像地址对自己需要的 PDO信息进行读写[7]。

主程序的 PWM 子程序调节从控制器的 PWM 输出，以实现电流比例阀的控制目的。控制器将系统电压、各主电路的工作电流、负载设备的温度等参数传输至人机界面。从控制器内部程序操作，用于实现设备参数的动态监控，如每个动作液压缸的位移和操作特性的提取。通过与试验获得的工况特性进行对比，为运行参数的优化匹配和控制系统的决策提供了依据。当电子控制系统发生故障时，控制器将实时存储故障的时间和类型，通过人机界面上的故障代码，可查看历史故障信息，为用户进行故障排除和设备维护提供帮助[8]。

3 基于 UWB 技术的煤矿应用情况

UWB 技术已在国家能源集团神东公司、陕煤集团等各矿井使用，如图4 所示，配套设备为履带式转载破碎机 (以下简称破碎机，如图5 所示)+久益 (环球) 梭车。在增加了 UWB 测距传感器后，可减少破碎机处的操作司机。UWB 测距传感器距离检测范围标准为 0.1～55 m，实测测距传感器在 70 m 范围内仍可有效测距。具体操作流程为：破碎机和梭车通过测距传感器监测实际距离，对传感器距离继电器进行设置，根据实际需要将继电器距离设置为 5～50 m。此处以 20 m 进行举例，当梭车靠近破碎机时，测距传感器距离继电器在检测到两设备距离≤ 20 m 时，继电器吸合。破碎机检测到信号，通过短暂 100～200 ms 的防抖检测，破碎机开始运行。破碎机首先进行语音报警，待语音报警结束后，启动报警对应电动机。启动之后，经过设定的延时之后，自动开始下一个动作报警，报警结束后，启动报警对应的电动机或动作，直到完成所有设定动作。

图4 UWB 技术在国家能源矿井使用Fig.4 UWB used in CHN Energy mines

图5 履带式转载破碎机Fig.5 Transfer crusher with crawler

该技术的应用，可为一个掘进工作面至少减少1 个破碎机司机。因每日生产班掘进时，采用连采及其后配套工艺开采的巷道，对于破碎机没有过多的行走动作需求，仅有破碎和运输功能需求，工作条件简单，控制程序固定化。使用本技术控制系统稳定，结构简单，可靠性好。

4 结语

对煤炭生产单位来说，煤矿用履带式转载破碎机在国家能源集团神东公司各矿均有使用，在生产班环境复杂，设备繁多且工况恶劣的情况下，能减少一人则降低一个人的风险，对煤矿的安全生产具有重大意义。通过增加 UWB 测距传感器，不仅减少井下工人数量，同时降低人工成本，减小工作强度。自动化作业的加入，可使产量精确计算，且在生产过程中无劳动疲劳、情绪化等情况。

对于设备生产单位来说，设备自动化程度高，可提高企业产品的市场竞争力，企业应该充分利用信息的透明化，提高产品质量、服务、价格等优势，同时引入工业自动化设备，以降低生产成本，改善企业形象，增强企业在行业中的竞争力。