卢　军，高先和

(合肥学院 电子信息与电气工程系，合肥　230601)



遥控掘进机主从控制系统设计

卢军，高先和

(合肥学院 电子信息与电气工程系，合肥230601)

摘要：掘进机现场综采环境恶劣，操作难度大，掘进技术直接影响生产效率和安全。基于上述发展需要提出了遥控掘进机主从控制系统的设计方案，遥控掘进机主从机控制系统具有掘进机综合保护控制、ZigBee无线传输、图像传输、遥控掘进和失控保护功能，为提高综采效率和保证安全生产提供有力的技术支持。

关键词：掘进机；综合保护；ZigBee；图像传输

0引言

掘进技术直接影响着掘进综采的效率和安全，但由于现场工作环境极其恶劣，操作难度大，目前国内外所设计的掘进机控制系统以PLC作为控制核心，系统功能具有一定的局限性，扩展新功能时需外扩硬件设备，使系统硬件设计复杂，而在此基础上，增加了设计成本，同时也增加了系统故障点，不利于系统长期、安全、稳定运行。

课题所提出的遥控掘进机控制系统采用主从机结构设计方案，主机为控制设备，通过ZigBee通信发送控制指令和综采数据，从机为掘进机控制核心，实现掘进机数据采集、综合控制、图像采集和失控保护功能，可实现现场遥控掘进操作。

1系统设计

1.1总体设计

遥控掘进机主从控制系统采用意法半导体公司32位低功耗高性能处理器，主机由STM32F407最小系统、人机界面模块、ZigBee模块和U盘模块组成；从机由STM32F207最小系统、数据采集综合控制模块和图像采集模块组成，主从机通过ZigBee通信实现数据共享，现场工作人员通过主机设备控制掘进机进行遥控综采，从而可以避免依靠工人现场直接操作掘进机进行现场作业，系统总体设计结构如图1所示。

图1　遥控掘进控制系统结构图

1.2ZigBee通信模块设计

主从机通信通过ZigBee模块SZ05-ADV实现数据共享，视距通信距离可达2000m。主机人机界面采用7寸TFT屏，用于显示掘进机工作状态信息及从机图像信息，U盘模块主要用于存储掘进机工作故障信息及回传图像数据。主从机ZigBee模块电路如图2所示，采用TTL电平连接，RX1与STM32的串口1 TX引脚连接，TX1与STM32串口1 RX引脚连接，引脚RUN、NET、ALM和SLP分别为ZigBee模块运行指示灯、网络工作指示灯、告警指示灯和休眠控制引脚。

图2　主从机SZ05-ADV电路

1.3MT9D111图像采集模块设计

从机图像采集模块使用130万像素MT9D111图像传感器，自带JPEG压缩编码功能。图像传感器与从机通过FIFO模块AL422B连接传输数据，当主机发送指令后从机图像数据从DMA通道直接传输至串口通过ZigBee模块发送到主机显示并保存至U盘，便于工程技术人员及时了解掘进机作业情况和巷道周围环境。

1.4数据采集综合控制模块设计

数据采集综合控制模块以STM32F103为主控芯片，通过RS232与从机实现数据和控制命令传输。数据采集通过电流互感器、热敏元件、漏电闭锁监测实现对主电路过载、过热、短路、断相、漏电及控制电路绝缘进行监视，实现对电机主回路电流、主回路漏电闭锁信号、电机过热监测信号、油温超限和220V/36V控制回路对地绝缘电阻监测信号进行综合处理和控制，同时具有失控保护功能，当主机与从机通信故障或从机与数据采集和综合控制模块通信故障时进入失控保护模式。

漏电闭锁保护是电机在启动前对电机绕组及部分供电线路进行绝缘检测，当被检测部分的绝缘电阻值大于规定值时，才允许电机正常启动；如果绝缘电阻值小于规定值，电机不能启动，实现漏电闭锁保护，当绝缘电阻恢复到一定值时，漏电闭锁电路自动解锁，如表1所示。36V与220V控制回路绝缘电阻值低于表1动作电阻值，此时断开控制回路电源，完成绝缘保护功能。

表1　漏电闭锁及绝缘检测

当电机出现8倍或8倍以上额定值的短路电流时，实现短路保护，当故障消失后，必须断电才能恢复。电机在出现断相或三相严重不平衡时，通过电流互感器采集三相电流，实现断相或不平衡保护，当故障消失后，必须断电才能恢复。当电机工作电流达到额定值1.2倍以上时，控制电机交流接触器断开，实现对电机过载保护。掘进机短路、缺相和过载保护参数如表2所示。

表2　短路、缺相、过载保护

电机过热保护是利用正温度系数热敏电阻检测电机绕组温度，当温度达到130～135℃时，热敏电阻阻值剧增，通过检测热敏电阻阻值实现电机过热保护。当电机绕组温度检测电路出现短路时，可实现检测电路短路保护，保护参数如表3所示。

表3　过热保护

2软件设计

遥控掘进机主从控制系统由主机和从机构成，图3为主机程序流程图，主要用于作出控制决策、掘进机工作状态显示、图像显示、故障存储查询以及ZigBee通信；图4为从机程序流程图，主要用于读取数据采集与综合控制模块数据、采集现场图像、陀螺自动定位和ZigBee通信。

遥控掘进机主从控制系统基于传统掘进机基础，采用主从式结构，与目前国内外掘进机控制系统相比，在原有控制系统基础上增加图像传输、可利用主机实现遥控操作，同时所有数据保存至主机U盘，可以实时监控和观测掘进机工作状态及巷道周围环境状况。系统所设计从机预留陀螺定位接口，为后期研发智能综采多功能新型掘进机奠定基础，推广和应用前景广阔。

图3　主机程序流程图

图4　从机程序流程图

参考文献：

[1]李联辉．基于ZigBee无线网络的汽车智能测试系统的研研究[D].洛阳：河南科技大学车辆与动力工程学院车辆工程系，2010．

[2]高俊岭,欧阳名三,朱成杰．新型掘进机电气控制系统设计[J].煤炭科学技术,2011,39(10):96-99.

[3]赵四海,胡于伟,赵哲谦，等．基于PLC的掘进机电控系统设计[J].工矿自动化,2012,39(8):102-104.

[4]曾浩,张祺,郑斯凯.基于STM32F407的图像远程采集终端[J].工业控制计算机,2014,27(11):81-83.

[5]史丽萍,温树峰,黄延庆.基于CAN网通信的选择性短路保护的研究[J].电力系统保护与控制，2011,39(8):139-142.

[责任编辑:李军]

Design of Master-Slave Control System of Remote Boring Machine

LU Jun，GAO Xian-he

(Electronic Information And Electrical Engineering，Hefei University, Hefei 230601, China)

Abstract:Boring Machine at the scene of fully mechanized conditions are poor, operates difficulty, tunneling technology directly affects the production efficiency and safety. The design of remote Boring Machine of master-slave control system based on the above development needs, it has comprehensive protection and control, ZigBee wireless transmission, image transmission, remote control driving and out of control protection function, to improve the efficiency of fully mechanized and guarantee safe production provides strong technical support.

Key words:boring machine; comprehensive protection; zigBee; image transmissio

中图分类号：TD421.5

文献标识码：A

文章编号：1673-162X(2016)01-0096-04

作者简介：卢军(1985—)，男，安徽庐江人，合肥学院电子信息与电气工程系助理实验师，硕士；研究方向：智能控制、嵌入式应用。

基金项目：：安徽省高等学校省级质量工程项目(2015jyxm310)基金资助。

收稿日期：2015-10-09修回日期：2015-12-22