悬臂式掘进机远程监控系统设计
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摘 要：现代矿山采掘比例失调是影响煤炭开采速度的主要因素，因此快速综掘技术的研究具有重要的现实意义。掘进机在巷道掘进中发挥着至关重要的作用，掘进巷道以布置采煤工作面。掘进机远程监控技术是发展综合机械化掘进、提高掘进效率、保障安全生产、降低劳动强度的重要一环，近年国内外正逐步深入对掘进机远程控制技术及监测系统的研究，远程控制技术及监测是煤巷掘进装备的必然发展趋势。本文构建了悬臂式掘进机远程控制与监测系统总体结构，并分析了监控系统的硬件构成和软件结构，分别对机载控制器、远程监控软件、远程监测软件进行了总体设计
关键词：悬臂式掘进机；远程监控系统；机载控制器PCC
1 悬臂式掘进机主要结构及工作原理简介
本文以悬臂式纵轴掘进机EBZ200为对象开展研究。悬臂式掘进机EBZ200适用于半煤岩和煤的井下巷道掘进，截割断面宽度为6.5m，高度为5.2m，可截割单向抗压强度为80MPa的煤岩。
悬臂式掘进机EBZ200主要结构由以下十个部分组成：截割部、截割臂、前铲板部、本体部、行走部、液压系统、电气系统、后支撑、第一运输机、回转台。此外，悬臂式掘进机还具有喷雾除尘系统、润滑系统，喷雾除尘系统由喷雾装置和专用水泵组成，主要是为了整机的冷却和抑制截割时产生的粉尘和火花。
目前国内巷道掘进主要采用司机通过操作控制按钮、机体摇杆的方式控制截割电机启停与转速、截割臂升降和左右摇摆、左右履带的行走，最终截割出期望断面。
2 监控系统主要功能
悬臂式掘进机远程控制与监测系统主要用来在距离掘进机500～1000米处控制掘进机进行巷道掘进与监测掘进机工作设备的相关参数，还可以通过矿井环网监测掘进机的状态，主要功能包括以下几个方面。
（1）通过传感器实时采集并显示掘进机设备的运行参数、工作状态等信息，例如进线电压、截割电机电流、油缸油压、油缸位移、机身姿态、截割电机工作时间等参数。
（2）通过视频信息与井下监控软件所提供的信息在距离掘进机500～1000米远程控制掘进机行走、按照设定要求自动截割断面、纠偏。
（3）在距离掘进机500～1000米处通过悬臂式掘进机监控软件实时在线分析设备运行情况，并及时对工作状态进行调整和报警功能，提供维修和保养建议。
（4）历史数据保存、显示，设备故障报警等功能。
（5）网络发布掘进机的工作状态及作业信息，提供信息共享服务。
（6）掘进机具有无线遥控功能，通过无线遥控手柄可以控制掘进机的执行机构按照要求进行动作。
（7）通过Internet网络可以远程监测掘进的相关参数，并具备故障报警功能。
（8）具有视频远程传输功能，通过Internet网络可以实时监视掘进的工作。
3 监控系统总体技术路线
掘进机在巷道掘进过程中既要保证人身安全又要保证巷道掘进效率与质量，因此深入研究掘进机远程控制与监测技术显得十分重要。掘进机远程监控技术主要涉及自动化、通信、安全采矿、传感与检测、液压传动等技术，本文主要研究监控系统软硬件总体设计。
总体技术路线的实施包括以下四个方面：首先是构建悬臂式掘进机远程监控系统的总体结构；对监控系统的硬件设计与选型，包括建设监控系统通信网络和研制隔爆兼本案型监控计算机、本案型键盘、无线遥控手柄、无线接收机、隔爆监视器、隔爆摄像头及其机身传感器等设备；掘进机远程监控系统软件的开发设计，包括掘进机本体控制器控制程序、井下远程监控软件、地面远程监测软件三个部分；进行掘进机远程监控系统技术整合与工业性试验。
4 监控系统硬件结构总体设计
针对悬臂式掘进机EBZ200研制一套悬臂式掘进机远程监控系统，该系统结合计算机、自动控制、通信等信息科学的技术，完成掘进机远程控制与监测。掘进机控制方式有本机手动控制、无线遥控、远程遥控。其中本机手动控制为司机直接操作控制手柄，通过操作手柄控制换向阀，驱动各工作油缸及液压马达动作，实现掘进作业。无线遥控由司机操作遥控发射器在掘进机附近控制掘进机。远程控制由司机在500米外操作无线遥控手柄或者隔爆兼本案型工业监控计算机实现掘进机的远程操作。
在EBZ200掘进机机身主电控箱内安装贝加莱公司的CP476主控制系统，主要用来采集由机身传感器采集来的数据，如电源电压、截割电机电流、油缸油压、截割电机绕组温度、机身倾角等，同时掘进机控制系统还要控制相关执行机构进行工作。
在距离掘进工作面500～1000米距离，设置井下监控硐室放置监控主机与视频监视器，工作人员通过视频信息与悬臂式掘进机远程监控软件所提供的信息操纵掘进机进行工作，监控主机为整个监控系统的核心。
隔爆兼本案型监控计算机通过交换机接入矿井环网，与同时接入环网的地面主机高速连接，将各种状态信息及时传送至网络。地面监测计算机接收井下监控主机传入环网的数据，从而使掘进机的各种可共享信息通过井上主机发布。
5 监控系统软件总体结构设计
本项目中悬臂式掘进机EBZ200监控系统软件主要由三个部分构成：机载控制器运行软件、远程监控软件和地面远程监测主机运行软件。
机载控制器运行软件主要负责采集安装于掘进机身的电压传感器、电流传感器、油温传感器、油压传感器、倾角传感器、位移传感器、瓦斯传感器等数据信息，并将采集的数据经过智能控制程序处理后将结果输出到相应的执行机构。机载控制器通过CAN总线网络将采集的数据送至监控主机，并接收来自井下监控主机的控制命令，将该控制命令进行运算后输出到执行机构。
井下主机监控软件是整个远程监控系统的核心软件，此软件运行于linux系统，运用C语言开发，具有很高的可靠性与实时性，负责绝大部分的人机交互、作业控制、数据分析和故障诊断。
地面远程监测主机在距离工作面500～20000m的地面调度中心，在掘进机掘进作业过程中，工作人员在地面上能够实时监测掘进机截割电机的运行状态，实时显示掘进机的工作位置、姿态、截割头的位置等信息，并实现远程故障诊断和报警功能。地面远程监测计算机还具有历史数据保存、显示和打印功能。地面主机软件为地面工作人员提供一个监视平台，按设计要求该软件不具备控制功能。
6 小结
本文以EBZ200悬臂式掘进机为基础，结合计算机、自动控制、通信等信息科学的技术，构建了悬臂式掘进机远程控制与监测系统总体结构，并分析了监控系统的硬件构成和软件结构，分别对机载控制器、远程监控软件、远程监测软件进行了总体设计。
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