程鳳霞

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著采煤技術(shù)和方法的演進及煤礦機械研發(fā)技術(shù)的進步，連續(xù)采煤機、掘錨機、掘進機、液壓行走支架、支架搬運車等采、掘、支、運類煤礦設(shè)備大量應(yīng)用于煤礦井下，突破了我國傳統(tǒng)采煤、掘進的桎梏，實現(xiàn)了綜合機械化采煤作業(yè)。因為采掘工作面工況危險，視距受限，粉塵、潮濕、墜物、噪聲污染等威脅無處不在，因此對行車駕駛室內(nèi)隨機操作工人的生命安全及身體健康造成了很大威脅?，F(xiàn)代化采煤技術(shù)不僅對煤炭生產(chǎn)的效率提出了要求，也對煤礦井下工作人員的人身安全及職業(yè)健康提出了更高要求。對此，一種新型控制采掘設(shè)備工作的方式即遠距無線遙控操作，近年來被用于煤礦采掘設(shè)備電氣系統(tǒng)的設(shè)計中，并在普通型連續(xù)采煤機、薄煤層連采機、掘錨機、巷道掘進機、履帶行走式液壓支架等工作面設(shè)備上得到了成功的應(yīng)用。工業(yè)級遙控裝置的使用，不僅達到了煤礦高產(chǎn)高效的目的，也提高了設(shè)備操作人員的舒適性與安全性。

1 工業(yè)無線遙控技術(shù)

在工業(yè)無線遙控設(shè)備發(fā)展初期，只能實現(xiàn)對設(shè)備的打開、關(guān)閉等簡單操作，隨著集成電路及微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，已研發(fā)出了手持式遙控裝置，其便攜性、可靠性更高，操控指令的范圍更廣；近年來，數(shù)字處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，工業(yè)無線遙控技術(shù)研究也有了新突破，其抗干擾能力逐步提高，安全性、可靠性得到了大大改善，1985年隨著模擬控制技術(shù)試驗的成功，不僅提高了控制指令的分辨能力，而且在該技術(shù)應(yīng)用于無線遙控裝置的研發(fā)中，還實現(xiàn)了其無線控制，遙控發(fā)射機發(fā)出的指令能實現(xiàn)對驅(qū)動設(shè)備動作的比例控制，從而打破了工業(yè)無線遙控設(shè)備發(fā)展初期只能進行開關(guān)簡單控制的瓶頸。這一歷史性的技術(shù)突破，全面順應(yīng)了現(xiàn)代化采礦發(fā)展對采掘設(shè)備的技術(shù)要求，迅速且廣泛地應(yīng)用在各類采掘設(shè)備的電控系統(tǒng)中[1]。

2 采掘設(shè)備操作控制方式

2.1 采掘設(shè)備傳統(tǒng)操作方式

采掘設(shè)備在工作面的行走、支護、錨護、掏槽等動作，是由多個操作司機通過安裝在設(shè)備上的液壓手柄、電氣操作箱等進行控制的，行走與支護、行走與錨護動作之間存在聯(lián)動、協(xié)調(diào)控制。為了保證操作的安全性，操作司機間需要通過喊話系統(tǒng)重復(fù)確認已完成的錨護(支護)或行走動作，方能進行下一步的行走或錨護(支護)動作，這加大了設(shè)備控制中人的主觀控制所占的比重，即不僅增加了誤差來源，降低了系統(tǒng)控制的可靠性，還增加了無直接關(guān)系系統(tǒng)功能的硬件構(gòu)成，增加了成本，同時影響了操作司機的健康，而且受視距、噪聲等影響，間接影響了操作的準確性、安全性。

2.2 采掘設(shè)備新型操作方式

受采掘設(shè)備手動跟機操作的局限性，采掘設(shè)備的控制方式進行了改進[2-4]，即采用有線跟機操作和無線遠控操作結(jié)合的方式，其中有線操作主要在設(shè)備系統(tǒng)檢修、整機系統(tǒng)調(diào)試時使用，井下工作面主要采用無線遙控操作。

圖1為工作原理就是無線遙控裝置對采掘設(shè)備機構(gòu)動作的控制，遙控發(fā)射機面板發(fā)出的控制命令信號，經(jīng)過發(fā)射機內(nèi)部數(shù)字化處理模塊、無線發(fā)射模塊，然后被無線接收模塊接收，并通過接收機內(nèi)置的信息解碼器轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)能夠識別的控制信號，經(jīng)處理后實現(xiàn)對各液壓機構(gòu)的控制。

圖1 無線遙控裝置控制采掘設(shè)備的工作原理

3 無線遙控控制系統(tǒng)

3.1 技術(shù)參數(shù)

由于礦井工作面設(shè)備多而復(fù)雜，設(shè)備間存在相互遮擋，因此無線信號必須穿透障礙物。無線遙控操作就是利用無線信號實現(xiàn)對遠方機構(gòu)的操作，這就決定了采掘設(shè)備所用無線遙控裝置必須滿足信號傳輸距離的要求，采掘設(shè)備的無線遙控裝置是用無線電波來傳送控制信號的，信號的傳輸距離遠(一般可達到100 m)、無方向性很好解決了工作面控制中的信號傳輸距離及設(shè)備遮擋問題。

為了保證無線控制方式工作的可靠性，太原院采掘設(shè)備使用發(fā)射、接收模塊性能穩(wěn)定可靠的進口遙控裝置，其綜合性能指標如表1所示。該無線遙控裝置采用滾動編碼方式，每次發(fā)射后編碼自動更換，不僅增強了保密性，而且滾動編碼容量大，對碼快且誤碼小。遙控裝置在硬件設(shè)計上，采用功能模塊組合結(jié)構(gòu)，可快速方便地對故障設(shè)備的修復(fù)、更換。

表1 進口無線遙控裝置綜合性能指標

3.2 遙控發(fā)射機

由于煤礦井下的工作環(huán)境特殊，因此工作頻段相近的無線設(shè)備很有可能造成信息的誤收，從而造成控制的誤動作。對此遙控發(fā)射機與接收機的配對，除了頻率匹配外，還需采用40億組永不重復(fù)的識別碼來保證發(fā)射機與接收機配對的可靠性，從而有效地避免其他無線電波的干擾。發(fā)射機、接收機的配對原理如圖2所示。

3.3 遙控接收機

遙控接收機是遙控命令的中轉(zhuǎn)站，也是連接發(fā)射機與設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的橋梁，其內(nèi)置無線接收模塊，接收發(fā)射機無線發(fā)射模塊發(fā)出的包含控制指令信息的無線電波，指令被解碼后應(yīng)遵循一定的數(shù)據(jù)格式存儲在發(fā)送緩沖區(qū)中，其存儲格式取決于接收機發(fā)送這些指令所用的通信協(xié)議，實現(xiàn)遙控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的PLC進行信息傳遞。而用于采掘設(shè)備的無線遙控裝置，考慮到通信距離、可靠性、抗干擾能力等關(guān)鍵因素，多采用CAN、CANopen、Modbus、Profibus DP等開放性協(xié)議，實現(xiàn)與控制系統(tǒng)信息的透傳[5]。圖3為基于CANopen協(xié)議的某進口遙控接收機的功能結(jié)構(gòu)圖。

圖2 無線電發(fā)射機與接收機配對原理

圖3 遙控接收機功能結(jié)構(gòu)

接收機與控制系統(tǒng)通過多芯電纜連接，圖3中接收機與控制系統(tǒng)芯線的連接包括了通信線CAN-H、CAN-L，電源線+24V、GND，電動機狀態(tài)反饋線，以及遙控急停繼電器輸出的開關(guān)量信號線。在遙控器出廠時接入設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，因網(wǎng)絡(luò)中存在其他廠商的應(yīng)用設(shè)備，則會造成通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率不一、節(jié)點號重復(fù)紊亂，需對總線上所有設(shè)備進行重新設(shè)置統(tǒng)一的傳輸速率，以保證總線通信的成功，并對總線所有設(shè)備的身份識別ID碼統(tǒng)一重新編排以方便網(wǎng)絡(luò)管理。在CANopen設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)各廠商設(shè)備對象字典OD中的規(guī)約，通過USB/CAN接口向設(shè)備發(fā)送SDO命令來修改設(shè)備配置，以圖3中遙控接收機為例，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置方法如下：

1) CAN總線數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備PcanView正確連接PC電腦與遙控接收機。

2) 接通接收機電源，打開PcanView軟件。

3) 按如下格式建立發(fā)送數(shù)據(jù)，且發(fā)送次數(shù)為1：664 22 01 20 00 02 00 00 00

上述發(fā)送數(shù)據(jù)中，664為目前節(jié)點信息區(qū)，02為新的節(jié)點號。

4) 發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，關(guān)閉接收機電源后再重新上電，節(jié)點號即變?yōu)?。

4 無線遙控接收機的防爆設(shè)計

煤礦井下用遙控接收機都是通過國家礦用產(chǎn)品安全標志中心檢驗取得安標證、防爆證的產(chǎn)品，該符合對煤礦井下使用設(shè)備的防爆要求，因此需按照GB 3836標準要求，應(yīng)重新設(shè)計滿足隔爆性能強度較高的金屬材質(zhì)殼體，并對其封裝。一般情況下，防爆殼體盡量設(shè)計為非螺紋隔爆面，使加工更簡單、方便，且更好地保證防爆殼體的隔爆性能。某型號連采機用遙控接收機防爆外殼如圖4所示。由于遙控接收機外接線較少，其隔爆外殼大多設(shè)計為契合接收機外形的單腔結(jié)構(gòu)，經(jīng)引入裝置分別引出通信線與其他剩余芯線，與控制系統(tǒng)進行電氣連接；因其簡單規(guī)整的外形特點，遙控接收機隔爆外殼采用螺栓連接的平面接合面，外殼內(nèi)的空間大小決定了在滿足防爆性能的前提條件下，隔爆接合面需滿足最小寬度和最大間隙的要求；所選用螺栓的規(guī)格及螺栓間隔的設(shè)計，需滿足在爆炸力條件下每個螺栓的受力不大于螺栓的緊固力矩，以保證隔爆接合面的間隙、蓋板不松動。

圖4 遙控接收機防爆外殼

5 結(jié)論

1) 目前無線遙控裝置在快速掘進系統(tǒng)、連續(xù)采煤機、掘錨機、掘進機、行走支架等采掘設(shè)備上廣泛應(yīng)用[6-9]，該無線信號實現(xiàn)了對設(shè)備的遠距離、實時、精準控制，提高了作業(yè)效率，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，提高了井下作業(yè)的安全系數(shù)，效果反響良好。

2) 由于無線遙控技術(shù)已日趨成熟，目前正結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、激光定位技術(shù)等，在致力于遠程智能化控制系統(tǒng)的研究上取得了一定的進展，這一研究的成功，必將推動井下無人工作面的目標變?yōu)楝F(xiàn)實。