章俊

摘 要：为提高悬臂式掘进机控制平台的智能化水平和运行效率，降低故障发生率，对原控制平台进行优化设计。以Inter Control控制器为核心CPU，扩展脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）、通信以及DI/DO接口，对控制器局域网络（Contrller Area Network，CAN）总线通信模式周期性采集掘进机的机身位姿、截割状态、履带行走等关键参数进行计算、逻辑处理，进而完成对掘进机的智能化、信息化控制。试验结果表明，优化后的悬臂式掘进机控制平台极大地提升了智能化控制水平，提高了掘进机的运行效率。

关键词：InterControl控制器;CAN总线通信;控制平台;遥控控制;掘进机

中图分类号：TD632 文献标识码：A 文章编号：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

煤矿井下综掘工作面在用的掘进机以悬臂式掘进机为主，如EBZ160、EBZ220、EBZ450等，控制系统核心都采用可编程逻辑控制器并扩展所需的功能模块完成对掘进机的方向、截割、位姿等控制[1]。为适应综掘工作面智能化、信息化开采需要，国内外煤矿科研院所和单位针对悬臂式掘进机控制平台进行优化设计。杨炳文等选用EPEC控制器取代传统的西门子S7-200 PLC控制器，降低了硬件接线复杂度以及维护维修成本[2];滕丽丽等采用模块化、标准化设计理念，基于倍福控制器实现了掘进机控制平台的优化设计，降低了开发周期，提升了掘进机的控制性能[3];刘美俊等基于PCC、智能控制以及CAN总线通信技术实现了掘进机沿轨迹截割和自适应截割的功能，提升了掘进机的智能化水平[4];三一公司对掘进机控制平台采用KW-MultiProg软件PLC控制器进行二次开发，将控制掘进机截割路径、位姿变化、行走等的控制算法嵌入掘进机底层算法库，优化了掘进机控制平台性能。本研究基于InterControl控制器，实现悬臂式掘进机控制平台的优化设计。

1 系统设计

悬臂式掘进机控制平台系统设计如图1所示。核心为InterControl控制器，并由扩展的数字量输入接口、模拟量输入接口、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）接口以及通信接口共同实现掘进机控制功能。该掘进机为四回路掘进机，包含转载电机回路、泵站电机回路、低速截割电机回路以及高速截割电机回路，对应由接触器KM1-MK4控制高压供电，由TA1-TA4和电流变送器1-4实时监测输入电流值。控制平台能近距离或者远距离控制掘进机悬臂伸缩、悬臂升降、悬臂摆动等动作，使掘进机截割头能够按轨迹自动完成截割任务，还能够控制掘进机左右履带行走，完成前进、后退、停止等动作。当左右履带张紧力不够时，它能够通过履带张紧装置完成履带张紧调节。通过该控制平台系统能够准确、实时地掌握掘进机运行状态，以控制器局域网络（Contrller Area Network，CAN）总线通信模式与工业交换机、工业显示器、本安操作箱、遥控接收器等设备连接，完成掘进机控制平台的实时监测和精准控制[5-8]。

悬臂式掘進机控制平台既可以通过本安操作箱以有线方式完成控制，也可以通过遥控设备完成近距离、远距离无线遥控，遥控控制原理如图2所示。当进行悬臂式掘进机近距离或者远距离遥控时，遥控发射器发出控制命令后，遥控接收器完成信号接收并进行信号转换，传送至系统核心处理器，经滤波、降噪、逻辑分析后传送至掘进机制动机构驱动掘进机，同时在工业显示屏上显示掘进机控制状态。

2 硬件设计

悬臂式掘进机控制平台核心中央处理机（Central Processing Unit，CPU）选用InterControl控制器。该控制器具备8路PWM信号处理接口、32路可复用的输入/输出接口，同时具备CAN总线、CanOpen总线、TCP/IP等多种通信接口，满足掘进机控制平台硬件需求。该控制器内核为英飞凌的TC1796 32位CPU，响应频率为150 MHz，数据处理周期为195 MIPS，满足掘进机控制平台控制精度需求。以四回路悬臂式掘进机控制平台为例，InterControl控制器接口分配方案如表1所示。

3 软件设计

根据悬臂式掘进机控制平台系统设计和硬件地址分配进行软件系统设计，根据控制平台需要实现的功能，将软件系统分为过程初始化及自检模块、保护模块、截割控制模块、机身位姿控制模块、远距离/近距离控制模块、惯性导航模块以及故障报警模块。保护模块用于实现对掘进机系统的保护，如漏电闭锁、过载、过流、过热、接触器粘连、过压/欠压、瓦斯超限、急停以及油温油位保护等;截割控制模块用于实现对掘进机截割头的控制，如截割路径规划、截割闭环控制、自适应截割、截割姿态测量等;机身位姿控制模块用于实现对掘进机机身位置、姿态的自适应调整;惯性导航模块用于定位掘进机的实时位置，为截割控制、机身位姿控制提供精准的位置信息;故障报警模块用于提示并警示掘进机将要或者已经出现的故障，发出声光语音报警。悬臂式掘进机控制平台软件系统基于CodeSys3.5平台采用ST+结构化编程语言实现，控制平台软件主流程如图3所示。

4 试验验证

为保证设计的悬臂式掘进机控制平台现场使用的可靠性和安全性，在试验室对设计的控制平台进行模拟试验。根据悬臂式掘进机控制平台要求在试验室进行硬件配置和软件设计，同时搭建完成的操作面板、功能开关、状态指示灯及旋钮等，如图4所示。

试验过程中，依次完成系统上电、近距离遥控操作、远距离遥控操作、远程操作并试验各操作模式之间的无缝切换;对掘进机截割系统进行轨迹跟踪试验、自动截割试验以及自适应截割试验;对掘进机机身位姿进行自适应调整试验;设计运载电机回路漏电闭锁故障，触发故障报警模块进行声光语音报警;使用遥控器摇杆控制掘进机左右履带进行前进、后退以及转向试验。试验结果表明，优化后的掘进机控制平台运行稳定，较好地实现了对掘进机的遥控、远程以及就地控制。

5 结语

以四回路悬臂式掘进机为研究对象，对原控制平台系统进行优化设计，并得出以下结论：①以InterControl控制器为核心，通过PWM接口直接对掘进机的悬臂升降、悬臂摆动、悬臂伸缩以及履带行走进行控制，缩短了系统响应时间，提升了控制平台的控制精度;②利用遥控接收器、遥控发射器实现了掘进机远距离、近距离直接控制，控制效果良好;③基于CoDeSys3.5平台实现了掘进机控制平台的软件设计，并可在线实时升级，降低了研发成本，缩短了研发周期。

参考文献：

[1]闫魏锋，石亮.我国煤巷掘进技术与装备发展现状[J].煤矿机械，2018（12）：1-3.

[2]杨炳文，付文俊，刘志强.竖井掘进机控制系统设计[J].工矿自动化，2016（9）：5-8.

[3]滕丽丽，滕俊章.基于PLC的悬臂式掘进机电控系统的设计与实现[J].煤矿机械，2014（4）：133-134.

[4]刘美俊，林明星，钮恒，等.掘進机PLC控制系统的设计与维护[J].煤炭工程，2016（11）：131-133.

[5]王苏彧，吴淼.基于PCC的纵轴式掘进机自主截割控制系统研究[J].煤炭工程，2016（6）：132-135.