陳偉崇，趙海偉，郭文孝

1國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司 陜西榆林 719000

2中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院 山西太原 030006

3山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

我國(guó)煤礦智能設(shè)備發(fā)展迅速，各種類型的煤礦機(jī)器人相繼涌現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)協(xié)同控制可以形成減人、便于操控、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等多個(gè)優(yōu)勢(shì)。但目前采掘工作面設(shè)備以單機(jī)控制為主，在多個(gè)設(shè)備同時(shí)動(dòng)作時(shí)，需要多個(gè)操作者同時(shí)操作控制，或者由一個(gè)操作者對(duì)設(shè)備進(jìn)行輪流操作，不能適應(yīng)智能礦井的發(fā)展趨勢(shì)。單機(jī)操作時(shí)，無(wú)法及時(shí)對(duì)各設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，導(dǎo)致設(shè)備之間協(xié)調(diào)性差，工作效率低。同時(shí)多人兼顧配合，否則易產(chǎn)生堆煤、碰撞、甚至傷人事故。無(wú)線測(cè)距傳感器可實(shí)現(xiàn)煤礦設(shè)備自動(dòng)順序控制，可以有效地避免此類事故發(fā)生，且設(shè)備之間進(jìn)行閉鎖等邏輯控制，以防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)行誤操作。

1 系統(tǒng)的基本原理

煤礦設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng) (Automatic Device Control System) 是指按照受控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的預(yù)定動(dòng)作順序，根據(jù)相應(yīng)的步進(jìn)條件，逐步實(shí)施的自動(dòng)控制系統(tǒng)。受控裝置一般為煤礦機(jī)械設(shè)備，其動(dòng)作順序不變或較為固定。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，主信號(hào)主要來(lái)源于開(kāi)關(guān)，其中包括接觸式或非接觸式行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、簧片開(kāi)關(guān)以及霍爾元件開(kāi)關(guān)，而有時(shí)候也會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)換元件如壓力繼電器或時(shí)間繼電器作為某些步進(jìn)控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制效果。

為了使順序控制系統(tǒng)可靠地工作，通常采用步進(jìn)順序控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。所謂階梯式順序控制，是指前一步必須通電且該步驟的階梯式主信號(hào)已經(jīng)發(fā)出的情況下，控制系統(tǒng)的任何程序步驟的電源都必須被控制。對(duì)于煤礦機(jī)械來(lái)說(shuō)，受控設(shè)備的每個(gè)階段的實(shí)施都取決于是否具有輸出信號(hào)的前一步，受控機(jī)械動(dòng)作是否完成，以及指控系統(tǒng)的機(jī)械都是在這個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。這個(gè)控制系統(tǒng)是緊密聯(lián)鎖的，即使步進(jìn)開(kāi)關(guān)的主信號(hào)元件出現(xiàn)故障或操作失誤，動(dòng)作順序不會(huì)混亂。

UWB 技術(shù)是使用 1 GHz 以上頻率的無(wú)線通信技術(shù)。UWB 不使用正弦載波，而是使用用納秒級(jí)的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。UWB 所占的頻譜范圍很大，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)每秒幾百兆比特以上。UWB 技術(shù)使用超寬基帶脈沖進(jìn)行通信，主要用于軍用雷達(dá)、定位和低截獲率的通信系統(tǒng)中。2002 年 2 月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)發(fā)布了民用 UWB 設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。該規(guī)定中，在 3.1～10.6 GHz 頻段中傳輸數(shù)據(jù)帶寬大于 500 MHz 的通信系統(tǒng)稱為 UWB 系統(tǒng)。

UWB 測(cè)距的主要測(cè)距方法為雙向飛行時(shí)間法(TW-TOF，two way-time of flight) 每個(gè)模塊從啟動(dòng)開(kāi)始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳。模塊 A 的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1發(fā)射請(qǐng)求性質(zhì)的脈沖信號(hào)；模塊 B 在Tb2時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號(hào)，被模塊 A 在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收。由此可以計(jì)算出脈沖信號(hào)在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離S[1-2]。

式中：c為光速，m/s。

1.1 硬件組成

協(xié)同控制系統(tǒng)基本單元主要由 E、F2 套電氣控制系統(tǒng)組成，如圖1 所示。電氣控制 E 主要包含操作箱、人機(jī)界面、傳感器、照明燈、變頻器、電動(dòng)機(jī)、無(wú)線測(cè)距等設(shè)備；電氣控制 F 主要包含操作箱、人機(jī)界面、遙控器、傳感器、照明燈、無(wú)線測(cè)距、電動(dòng)機(jī)、電磁閥等設(shè)備。電氣控制 F 保持基本靜止?fàn)顟B(tài)，電氣控制 E 進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，兩者之間通過(guò)無(wú)線測(cè)距模塊進(jìn)行信息互通。此協(xié)同控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、便于改造。借助此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備協(xié)同控制，對(duì)煤礦智能化發(fā)展具有實(shí)質(zhì)性的提升。

圖1 協(xié)同控制系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of cooperative control system

單臺(tái)設(shè)備必備元器件主要包括主控制器、RJ45網(wǎng)絡(luò)、CAN 通信、無(wú)線測(cè)距傳感器等。單機(jī)設(shè)備需支持 TCP/IP 協(xié)議或 CAN、CANopen 協(xié)議。以倍福 CX8050 控制器為例，主控制器 PLC 內(nèi)存為 512 MB，配有 1 個(gè) Ethernet 網(wǎng)絡(luò)接口，1 個(gè) CAN 主站接口。PLC 程序執(zhí)行周期為 20 ms，支持 RS-485或 TCP/IP 等通信協(xié)議。PCL 編程中，定義數(shù)組變量：UWB_Data 在讀寫(xiě)寄存器初始地址為 0 的數(shù)組[0..7]，數(shù)據(jù)類型為 BYTE，將測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)讀回，協(xié)議為 CANopen 通信協(xié)議，讀取頻率為 PLC 的刷新頻率，即 50 Hz。

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，UWB 的主要特性是不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是利用具有納秒級(jí)的極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其頻譜范圍很大，從而攜帶更多的信息，尤其在抗多徑干擾及信息傳輸安全上具有先天優(yōu)勢(shì)。

該測(cè)距傳感器為自研設(shè)備，無(wú)線測(cè)距傳感器額定工作電壓為 DC 24 V，工作電流≤ 0.30 A，測(cè)量范圍為 0.1～55.0 m，信號(hào)輸出為標(biāo)準(zhǔn) CAN 協(xié)議。傳感器作為一種非接觸式測(cè)量，可用于測(cè)量相互之間的距離。兩個(gè)傳感器均在上電狀態(tài)時(shí)，通過(guò)互相測(cè)距，可將距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送回 PLC 控制器[3]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

單臺(tái)設(shè)備流程如圖2 所示。單機(jī)系統(tǒng)中，在上電后系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，自檢信號(hào)包括前后設(shè)備通信信號(hào)、自身傳感器信號(hào)、集中控制器信號(hào)等，所有信號(hào)均正常后將處于待機(jī)狀態(tài)，等待本機(jī)控制器命令下發(fā)或集中控制器集中控制命令下發(fā)。

圖2 單臺(tái)設(shè)備控制流程Fig.2 Single device control process

各單機(jī)設(shè)備在系統(tǒng)控制軟件運(yùn)行過(guò)程中，向集中控制器發(fā)送自檢結(jié)果，集中控制器根據(jù)無(wú)線測(cè)距傳感器等多種技術(shù)參數(shù)為輸入量，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境中傳感器模糊關(guān)系模型，以系統(tǒng)行走、轉(zhuǎn)載等為輸出量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主判斷、自主決策的目的。

在整個(gè)系統(tǒng)的使用過(guò)程中，由基于 UWB 技術(shù)的測(cè)距模塊對(duì)前后級(jí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距。軟件中設(shè)置一個(gè)可調(diào)整的距離閾值，當(dāng)檢測(cè)到前級(jí)設(shè)備距離到達(dá)閾值范圍內(nèi)，后級(jí)設(shè)備在短暫延時(shí)后，執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行指令，如泵站電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)輸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等，啟動(dòng)時(shí)為防止對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間沖擊，影響整體控制系統(tǒng)，不同的執(zhí)行動(dòng)作需分布進(jìn)行，每一步執(zhí)行之后短暫延時(shí)，再繼續(xù)執(zhí)行下一步。當(dāng)前級(jí)設(shè)備與后級(jí)設(shè)備的距離超出設(shè)定閾值范圍后，后級(jí)設(shè)備一般會(huì)延時(shí)停止，延時(shí)時(shí)間可調(diào)。以上為一個(gè)完整循環(huán)[4]。

軟件設(shè)計(jì)中需考慮多種情況，對(duì)整體控制邏輯應(yīng)形成閉環(huán)，防止出現(xiàn)特殊情況導(dǎo)致系統(tǒng)混亂，如當(dāng)前級(jí)設(shè)備進(jìn)入設(shè)定閾值范圍內(nèi)后，后級(jí)設(shè)備在未完成執(zhí)行所有動(dòng)作的情況下，前級(jí)設(shè)備退出范圍閾值時(shí)，此時(shí)后級(jí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)立即中斷順序執(zhí)行狀態(tài)，改為執(zhí)行延時(shí)停止的狀態(tài)，由此可確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

2 電氣控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.1 電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

煤礦巷道維修設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)主要涉及到主電控箱、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、操作箱、遙控器、各類傳感器、照明燈等組件。

電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)顯示了電氣部件之間通過(guò) CANopen 協(xié)議進(jìn)行通信和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集。道路維修設(shè)備電氣控制功能的最終實(shí)現(xiàn)取決于每個(gè)電氣部件的可靠運(yùn)行[5]。

2.2 電氣系統(tǒng)的控制

該系統(tǒng)以 PLC 為控制器，以 CAN 協(xié)議嵌入式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟?？刂?，實(shí)時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，全面保護(hù)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。控制系統(tǒng) CAN 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 CANopen 總線結(jié)構(gòu)Fig.3 CANopen bus structure

主控制器負(fù)責(zé)控制電動(dòng)機(jī)，采集 I/O 端口和模擬量端口的數(shù)據(jù)，并通過(guò) PWM 輸出控制電液比例閥的動(dòng)作，并且人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示整個(gè)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。

遙控系統(tǒng)通過(guò)遙控接收機(jī)接收遙控發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)并傳輸至總線，總線結(jié)點(diǎn)通過(guò) CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、可靠、穩(wěn)定的傳輸[6]。

2.3 電氣系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

主控制器和從控制器的編程軟件 TwinCAT 和CODESYS 符合 IEC 61131-3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并提供多種編程語(yǔ)言。控制程序主要使用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句編程語(yǔ)言(ST) 來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能 (Structure)。

控制系統(tǒng)程序包括主程序、CANopen 通信子程序、電液比例閥控制子程序、控制馬達(dá)子程序以及斷電保持子程序等。

作為 CANopen 主站的控制器，負(fù)責(zé) CANopen 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維，對(duì)多個(gè)控制器之間的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查和組建，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備 OD (節(jié)點(diǎn)) 和節(jié)點(diǎn)站號(hào)，使從控制器開(kāi)機(jī)至初始化，并將從屬控制器加入作為網(wǎng)絡(luò)從屬節(jié)點(diǎn) (Control)。主節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè) CANopen 總線上各節(jié)點(diǎn)的心跳消息，并端盤各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)。每個(gè)導(dǎo)引消息從節(jié)點(diǎn)發(fā)送到主控制器，使主節(jié)點(diǎn)能夠判斷出每個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了預(yù)先工作狀態(tài)。主節(jié)點(diǎn)采用 PDO 信息的同步循環(huán)模式，實(shí)現(xiàn)雙方信息的雙向讀寫(xiě)；PDO 信息在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)一對(duì)多數(shù)據(jù)的傳輸，PDO 信息在 CANopen 網(wǎng)絡(luò)上讀寫(xiě)圖像地址區(qū)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)圖像地址對(duì)自己需要的 PDO信息進(jìn)行讀寫(xiě)[7]。

主程序的 PWM 子程序調(diào)節(jié)從控制器的 PWM 輸出，以實(shí)現(xiàn)電流比例閥的控制目的?？刂破鲗⑾到y(tǒng)電壓、各主電路的工作電流、負(fù)載設(shè)備的溫度等參數(shù)傳輸至人機(jī)界面。從控制器內(nèi)部程序操作，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，如每個(gè)動(dòng)作液壓缸的位移和操作特性的提取。通過(guò)與試驗(yàn)獲得的工況特性進(jìn)行對(duì)比，為運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化匹配和控制系統(tǒng)的決策提供了依據(jù)。當(dāng)電子控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制器將實(shí)時(shí)存儲(chǔ)故障的時(shí)間和類型，通過(guò)人機(jī)界面上的故障代碼，可查看歷史故障信息，為用戶進(jìn)行故障排除和設(shè)備維護(hù)提供幫助[8]。

3 基于 UWB 技術(shù)的煤礦應(yīng)用情況

UWB 技術(shù)已在國(guó)家能源集團(tuán)神東公司、陜煤集團(tuán)等各礦井使用，如圖4 所示，配套設(shè)備為履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī) (以下簡(jiǎn)稱破碎機(jī)，如圖5 所示)+久益 (環(huán)球) 梭車。在增加了 UWB 測(cè)距傳感器后，可減少破碎機(jī)處的操作司機(jī)。UWB 測(cè)距傳感器距離檢測(cè)范圍標(biāo)準(zhǔn)為 0.1～55 m，實(shí)測(cè)測(cè)距傳感器在 70 m 范圍內(nèi)仍可有效測(cè)距。具體操作流程為：破碎機(jī)和梭車通過(guò)測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際距離，對(duì)傳感器距離繼電器進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際需要將繼電器距離設(shè)置為 5～50 m。此處以 20 m 進(jìn)行舉例，當(dāng)梭車靠近破碎機(jī)時(shí)，測(cè)距傳感器距離繼電器在檢測(cè)到兩設(shè)備距離≤ 20 m 時(shí)，繼電器吸合。破碎機(jī)檢測(cè)到信號(hào)，通過(guò)短暫 100～200 ms 的防抖檢測(cè)，破碎機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。破碎機(jī)首先進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，待語(yǔ)音報(bào)警結(jié)束后，啟動(dòng)報(bào)警對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)之后，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)之后，自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)動(dòng)作報(bào)警，報(bào)警結(jié)束后，啟動(dòng)報(bào)警對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)或動(dòng)作，直到完成所有設(shè)定動(dòng)作。

圖4 UWB 技術(shù)在國(guó)家能源礦井使用Fig.4 UWB used in CHN Energy mines

圖5 履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)Fig.5 Transfer crusher with crawler

該技術(shù)的應(yīng)用，可為一個(gè)掘進(jìn)工作面至少減少1 個(gè)破碎機(jī)司機(jī)。因每日生產(chǎn)班掘進(jìn)時(shí)，采用連采及其后配套工藝開(kāi)采的巷道，對(duì)于破碎機(jī)沒(méi)有過(guò)多的行走動(dòng)作需求，僅有破碎和運(yùn)輸功能需求，工作條件簡(jiǎn)單，控制程序固定化。使用本技術(shù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)煤炭生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)，煤礦用履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)在國(guó)家能源集團(tuán)神東公司各礦均有使用，在生產(chǎn)班環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備繁多且工況惡劣的情況下，能減少一人則降低一個(gè)人的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重大意義。通過(guò)增加 UWB 測(cè)距傳感器，不僅減少井下工人數(shù)量，同時(shí)降低人工成本，減小工作強(qiáng)度。自動(dòng)化作業(yè)的加入，可使產(chǎn)量精確計(jì)算，且在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)勞動(dòng)疲勞、情緒化等情況。

對(duì)于設(shè)備生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)，設(shè)備自動(dòng)化程度高，可提高企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)應(yīng)該充分利用信息的透明化，提高產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)、價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)引入工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，以降低生產(chǎn)成本，改善企業(yè)形象，增強(qiáng)企業(yè)在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。