章俊

摘 要：為提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺的智能化水平和運(yùn)行效率，降低故障發(fā)生率，對原控制平臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以Inter Control控制器為核心CPU，擴(kuò)展脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）、通信以及DI/DO接口，對控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Contrller Area Network，CAN）總線通信模式周期性采集掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身位姿、截割狀態(tài)、履帶行走等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、邏輯處理，進(jìn)而完成對掘進(jìn)機(jī)的智能化、信息化控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺極大地提升了智能化控制水平，提高了掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：InterControl控制器;CAN總線通信;控制平臺;遙控控制;掘進(jìn)機(jī)

中圖分類號：TD632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0073-03

Research on Control Platform of Cantilever Roadheader

ZHANG Jun

（Shanxi Baoli Pingshan Coal Industry Co.， Ltd.， Jincheng Shanxi 048205）

Abstract： In order to improve the intelligence level and operating efficiency of the control platform of the cantilever roadheader， and reduce the failure rate， the original control platform is optimized. Take Inter Control controller as the core CPU， expand PWM， communication and DI/DO interfaces， and periodically collect the key parameters of the roadheader's body pose， cutting state， crawler walking， etc. in the CAN bus communication mode， and perform calculations and logic processing. ， And then complete the intelligent and informatized control of the roadheader. The test results show that the optimized control platform of the cantilever roadheader greatly improves the level of intelligent control and improves the operating efficiency of the roadheader.

Keywords： InterControl controller;CAN bus communication;control platform;remote control;roadheader

煤礦井下綜掘工作面在用的掘進(jìn)機(jī)以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，如EBZ160、EBZ220、EBZ450等，控制系統(tǒng)核心都采用可編程邏輯控制器并擴(kuò)展所需的功能模塊完成對掘進(jìn)機(jī)的方向、截割、位姿等控制[1]。為適應(yīng)綜掘工作面智能化、信息化開采需要，國內(nèi)外煤礦科研院所和單位針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊炳文等選用EPEC控制器取代傳統(tǒng)的西門子S7-200 PLC控制器，降低了硬件接線復(fù)雜度以及維護(hù)維修成本[2];滕麗麗等采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，基于倍福控制器實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)控制平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了開發(fā)周期，提升了掘進(jìn)機(jī)的控制性能[3];劉美俊等基于PCC、智能控制以及CAN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)沿軌跡截割和自適應(yīng)截割的功能，提升了掘進(jìn)機(jī)的智能化水平[4];三一公司對掘進(jìn)機(jī)控制平臺采用KW-MultiProg軟件PLC控制器進(jìn)行二次開發(fā)，將控制掘進(jìn)機(jī)截割路徑、位姿變化、行走等的控制算法嵌入掘進(jìn)機(jī)底層算法庫，優(yōu)化了掘進(jìn)機(jī)控制平臺性能。本研究基于InterControl控制器，實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。核心為InterControl控制器，并由擴(kuò)展的數(shù)字量輸入接口、模擬量輸入接口、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）接口以及通信接口共同實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)控制功能。該掘進(jìn)機(jī)為四回路掘進(jìn)機(jī)，包含轉(zhuǎn)載電機(jī)回路、泵站電機(jī)回路、低速截割電機(jī)回路以及高速截割電機(jī)回路，對應(yīng)由接觸器KM1-MK4控制高壓供電，由TA1-TA4和電流變送器1-4實(shí)時監(jiān)測輸入電流值。控制平臺能近距離或者遠(yuǎn)距離控制掘進(jìn)機(jī)懸臂伸縮、懸臂升降、懸臂擺動等動作，使掘進(jìn)機(jī)截割頭能夠按軌跡自動完成截割任務(wù)，還能夠控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶行走，完成前進(jìn)、后退、停止等動作。當(dāng)左右履帶張緊力不夠時，它能夠通過履帶張緊裝置完成履帶張緊調(diào)節(jié)。通過該控制平臺系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時地掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Contrller Area Network，CAN）總線通信模式與工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)顯示器、本安操作箱、遙控接收器等設(shè)備連接，完成掘進(jìn)機(jī)控制平臺的實(shí)時監(jiān)測和精準(zhǔn)控制[5-8]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺既可以通過本安操作箱以有線方式完成控制，也可以通過遙控設(shè)備完成近距離、遠(yuǎn)距離無線遙控，遙控控制原理如圖2所示。當(dāng)進(jìn)行懸臂式掘進(jìn)機(jī)近距離或者遠(yuǎn)距離遙控時，遙控發(fā)射器發(fā)出控制命令后，遙控接收器完成信號接收并進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，傳送至系統(tǒng)核心處理器，經(jīng)濾波、降噪、邏輯分析后傳送至掘進(jìn)機(jī)制動機(jī)構(gòu)驅(qū)動掘進(jìn)機(jī)，同時在工業(yè)顯示屏上顯示掘進(jìn)機(jī)控制狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺核心中央處理機(jī)（Central Processing Unit，CPU）選用InterControl控制器。該控制器具備8路PWM信號處理接口、32路可復(fù)用的輸入/輸出接口，同時具備CAN總線、CanOpen總線、TCP/IP等多種通信接口，滿足掘進(jìn)機(jī)控制平臺硬件需求。該控制器內(nèi)核為英飛凌的TC1796 32位CPU，響應(yīng)頻率為150 MHz，數(shù)據(jù)處理周期為195 MIPS，滿足掘進(jìn)機(jī)控制平臺控制精度需求。以四回路懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺為例，InterControl控制器接口分配方案如表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件地址分配進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)控制平臺需要實(shí)現(xiàn)的功能，將軟件系統(tǒng)分為過程初始化及自檢模塊、保護(hù)模塊、截割控制模塊、機(jī)身位姿控制模塊、遠(yuǎn)距離/近距離控制模塊、慣性導(dǎo)航模塊以及故障報(bào)警模塊。保護(hù)模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)，如漏電閉鎖、過載、過流、過熱、接觸器粘連、過壓/欠壓、瓦斯超限、急停以及油溫油位保護(hù)等;截割控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)截割頭的控制，如截割路徑規(guī)劃、截割閉環(huán)控制、自適應(yīng)截割、截割姿態(tài)測量等;機(jī)身位姿控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置、姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整;慣性導(dǎo)航模塊用于定位掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時位置，為截割控制、機(jī)身位姿控制提供精準(zhǔn)的位置信息;故障報(bào)警模塊用于提示并警示掘進(jìn)機(jī)將要或者已經(jīng)出現(xiàn)的故障，發(fā)出聲光語音報(bào)警。懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺軟件系統(tǒng)基于CodeSys3.5平臺采用ST+結(jié)構(gòu)化編程語言實(shí)現(xiàn)，控制平臺軟件主流程如圖3所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證設(shè)計(jì)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺現(xiàn)場使用的可靠性和安全性，在試驗(yàn)室對設(shè)計(jì)的控制平臺進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制平臺要求在試驗(yàn)室進(jìn)行硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，同時搭建完成的操作面板、功能開關(guān)、狀態(tài)指示燈及旋鈕等，如圖4所示。

試驗(yàn)過程中，依次完成系統(tǒng)上電、近距離遙控操作、遠(yuǎn)距離遙控操作、遠(yuǎn)程操作并試驗(yàn)各操作模式之間的無縫切換;對掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)進(jìn)行軌跡跟蹤試驗(yàn)、自動截割試驗(yàn)以及自適應(yīng)截割試驗(yàn);對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整試驗(yàn);設(shè)計(jì)運(yùn)載電機(jī)回路漏電閉鎖故障，觸發(fā)故障報(bào)警模塊進(jìn)行聲光語音報(bào)警;使用遙控器搖桿控制掘進(jìn)機(jī)左右履帶進(jìn)行前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)控制平臺運(yùn)行穩(wěn)定，較好地實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的遙控、遠(yuǎn)程以及就地控制。

5 結(jié)語

以四回路懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，對原控制平臺系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出以下結(jié)論：①以InterControl控制器為核心，通過PWM接口直接對掘進(jìn)機(jī)的懸臂升降、懸臂擺動、懸臂伸縮以及履帶行走進(jìn)行控制，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，提升了控制平臺的控制精度;②利用遙控接收器、遙控發(fā)射器實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)距離、近距離直接控制，控制效果良好;③基于CoDeSys3.5平臺實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)控制平臺的軟件設(shè)計(jì)，并可在線實(shí)時升級，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

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