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井下凿岩台车无线遥控系统设计
2019-02-20
如何将原有的传统设备改造升级是目前矿山面临的亟需解决的问题。为此,以阿特 拉斯凿岩台车设备为研究对象,进行设计了一套基于STM32 微控制器无线遥控系统,并对其进行 了一系列技术改造。系统包括遥控操作单元( OU)、车载接收单元( MU)、倾角传感器采集单元。 研究结果表明,该套系统在不影响整车原有电气系统的前提下,将有线操控升级为无线遥控,大幅 度提高操作人员人身安全和工作效率。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 井下凿岩台车无线遥控系统设计 1 1 2 吕海波 ꢀ 谢广峰 ꢀ 周向欣 ( 1. 河钢集团矿山设计有限公司;2. 河钢集团矿业有限公司司家营铁矿) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 如何将原有的传统设备改造升级是目前矿山面临的亟需解决的问题。 为此,以阿特 拉斯凿岩台车设备为研究对象,进行设计了一套基于 STM32 微控制器无线遥控系统,并对其进行 了一系列技术改造。 系统包括遥控操作单元(OU)、车载接收单元(MU)、倾角传感器采集单元。 研究结果表明,该套系统在不影响整车原有电气系统的前提下,将有线操控升级为无线遥控,大幅 度提高操作人员人身安全和工作效率。 关键词ꢀ 凿岩台车ꢀ 无线遥控ꢀ 微控制器ꢀ 倾角传感器 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 039 ꢀ ꢀ 随着露天矿业资源的减少,矿产开采由露天逐 安全性,提高了工作人员的工作环境质量,降低了职 业病的发生几率,减少了每年的设备售后维护成本, 提高了矿山的经济效益,具有很高的现实意义。 渐转移到地下,使得地下采矿工艺技术得到了飞速 发展,与其配套的钻孔设备水平也不断提高,由于我 国采矿设备技术工艺和西方发达国家还有较大差 1ꢀ 凿岩台车操作原理分析 [ 1] 距 ,所以大多数矿业集团依然采用的是进口的设 钻孔机的的操作部分由 2 部分组成,分别为钻 孔操作台(图 1) 和定位操作台(图 2),均为继电式 开关,均为数字量信号。 钻孔操作台除 R100 为旋 钮式的模拟量外,其他的操作通过对操作界面以及 控制电路原理图的对比分析得知除了电源线和地线 外,存在 33 个数字量信如表 1 所示。 定位操作台共 有 22 个数字量信号。 备。 阿特拉斯凿岩台车不仅在性能和结构上占有优 势,而更重要的莫过于适合我国矿业的地下开采环 境,这些设备大多数都是以电缆为信号传输介质的 潜孔钻设备。 随着无线技术应用在各行各业的逐步 普及,无线控制技术在矿业设备控制中发挥了很大 的作用。 阿特拉斯凿岩台车主要是在井下进行钻孔作 业,采用扇面布孔。 操作人员通过 2 根有线通讯电 缆分别连接的钻孔操作台和定位操作台进行动作操 作,由于线缆可传输距离的限制,以及现场需要经常 移动设备,人员必须就近进行操作等多种因素,并且 井下时常会出现顶板浮石掉落现象,极大威胁操作 人员的安全。 针对以上问题,为提高进口设备最大生产效益和 利用率,提出一种切实有效的基于 STM32 微控制器 的通信技术手段,对原有有线控制升级优化,并对钻 孔操作台和定位操作台进行一体改造,设计替代成无 线遥控控制,将电缆信号传输转换成无线信号控 图 1ꢀ 钻孔操作台 [ 2-4] 制 ,不仅操作方便,灵活,延长了设备的使用寿命, 还可以通过一些手段改善工作人员的工作环境,提高 图 2ꢀ 定位操作台 ꢀ ꢀ 吕海波(1984—),男,工程师,063700 河北省唐山市滦县响嘡 故无线控制中需要实现 55 路数字量、1 路模拟 量和总线信号的无线数据可靠性传输。 镇。 1 63 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 表 1ꢀ 操作台接插件线序及功能 位操作台功能,通过 7 寸液晶屏显示钻头倾斜角和 深度。 主要功能有:推进手柄开关、机械臂功能开 关、钻孔操作开关、储钎器开关、夹钳器开关、空气与 水选择开关、定位横滚动作开关、定位俯仰动作开 关、钻孔推进压力调节旋钮、电池电量检测、紧急停 止开关、电气启动开关等,OU 开关量信号定义见表 2。 基于 STM32 微控制器的 GPIO 引脚采集遥控开 关组合按键数字量和模拟量信号,通过串口 USART 连接无线透传模块,传输和接收 MU 单元的无线模 块,再利过 DMA 串口到寄存器发送到车载接收单 元执行相应的命令,并且接收车载单元返回的数据 进行自锁、检测功能。 安装在车体钻台上的倾角传 感器,通过定位操作的不同位置输出相应的俯仰和 横滚数值,数值由无线接收单元通过 CAN 总线采集 到寄存器保存,并通过无线模块发送到无线遥控单 元显示数值的变化情况。 无线遥控单元内部增加大 容量蓄电池组,输出 DC24 V,供电给主控制器和液 晶显示屏,可不间断待机 8 h。 无线遥控单元内部结 构见图 4。 功能 引脚 + 24 V 10 V A、B、C、D、F、G、S、X、Y + T GND E、H、z a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、m、n、p、q、r、u、v、 x、J、K、L、M、N、O、P、Q、R、U、V、W、Y、Z 数字输出 模拟输出 0 ~ 10 V w CAN s、t 2 ꢀ 无线遥控系统整体设计方案 通过对凿岩台车钻头和定位原理分析,无线遥 控系统设计方案主要由无线遥控单元(OU)、车载接 收单元(MU)、倾角传感器采集单元 3 部分组成,改 造后的整体架构如图 3 所示。 图 3ꢀ 无线遥控系统整体架构 3. 2ꢀ 车载接收单元 MU 原阿特拉斯凿岩台车的钻孔操作台和定位操作 台的通讯电缆一端插接到面板,另一端连接到车上 的控制柜和外挂端子箱上,控制柜内主要是时间继 电器、接触器和各功能动作电磁阀构成,完成逻辑控 制功能,CAN 总线主要是显示屏 D501 对钻头倾斜 角和钻孔深度进行显示功能。 无线遥控改造是在不 改变控制柜内部继电器和外挂端子内的接触器和电 磁阀等电气元器件的前提下,在台车上安装车载接 收装置并通过原车接头即插即用,使原钻孔操作台 和定位操作台合二为一改造即无线遥控单元,使一 个控制面板即可操作钻台也可以操作定位功能,无 线遥控单元与车载接收单元通过采用 50 mW 发射 功率的无线串口模块(UART),透明传输方式,工作 在 225 ~ 237. 6 MHz 电力频段(默认 230 MHz),窄 带传输,TTL 电平输出,兼容 3. 3 V 与 5 V 的 IO 口 电压,穿透绕射能力强,并实现控制与检测自锁功 能。 无线遥控单元和车载接收单元内部各采用 1 块 STM32 主控制芯片作为核心元件搭建,在主板上做 好外设接口、电源接口、串口接口,实现数字量和模 拟量信号输入输出功能。 控制器的功能配置都在编 程软件内实现,这里就不再详细说明。 车载接收单元主要接收无线遥控单元发送的数 据命令,进行串口到寄存器编译,通过 GPIO 输出高 低电平,在利用中间继电器执行凿岩台车逻辑控制, MU 单元通过原有的插接引脚连接车的防卡传感器 和水流量传感器等进行内部检测自锁,如发现前端 故障可停止 OU 单元的危险操作。 车载接收单元面 板上设置切换开关,可选择无线遥控和本地操作,确 保在无线遥控设备故障时,可有另外方式进行操作, 大大提高系统的安全性,内部原理如图 5。 3 . 3ꢀ 倾角传感器单元 原阿特拉斯凿岩台车系统自带了 2 个倾角传感 器,内部采用机械式原理,维护成本大。 通过选择国 产陀螺仪式倾角传感器,可有效降低成本,维护方 便,和可靠性通过最优算法保证测量精度,同时密封 设计以及严格工艺保证产品在恶劣的环境下仍能精 密地测量载体的角速度、 加速度和姿态等运动参数, 精度控制在 1°,采用 CAN 总线进行与无线遥控通讯。 4ꢀ 结ꢀ 语 所述的无线遥控系统是对原有凿岩台车的传统 有线控制系统进行升级优化,将原车的电缆信号传 输转换成无线信号控制,不仅操作方便,灵活,延长 了设备的使用寿命,并且有效的改善工作人员的工 作环境,提高安全性,提高了工作人员的工作环境质 3 ꢀ 系统功能设计 3 . 1ꢀ 无线遥控单元 OU 无线遥控单元主要实现原台车遥控操作台和定 1 64 ꢀ ꢀ 吕海波ꢀ 谢广峰等:井下凿岩台车无线遥控系统设计ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 表 2ꢀ OU 开关量信号定义 器件名称 器件功能 操作器件 S0 急停按钮 启动油泵 暂无 S106 S105 自恢复按钮开关 自锁按钮(常闭) 左手手柄-中位 停止油泵 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 档 档 档 档 档 档 档 档 档 档 档 档 档 用于 s179 的钻孔功能 后退(反提) 快后退(快反提) 左手手柄-后 左手手柄-后-后 左手手柄-前 推进 S180 快推进 左手手柄-前-前 左手手柄-左 ( 推进手柄开关) 接杆,接钎杆功能,有旋入接钎杆的推进和接钎杆的旋转 卸杆,卸钎杆功能,和 5 档原理一样就是方向是反的,用于卸钎杆 重冲击(高),凿岩机的直接高冲击的功能 轻冲击(低),凿岩机的直接低冲击的功 无 左手手柄-右 左手手柄-顶端-右 左手手柄-顶端-左 右手手柄-中位 右手手柄-右 机械臂往停臂方向动作,臂从储钎器位回到凿岩机位 机械臂直接回到停止位 右手手柄-右-右 右手手柄-左 机械臂往储钎器方向动作,臂从停臂位到凿岩机位 使机械臂直接到储钎器位 S111 4 档 5 档 右手手柄-左-左 右手手柄-前 ( 机械臂功能开关) 打开机械手(夹持器) 6 7 档 档 跟 7 档一样的功能,平时很少用 使机械手保持在握钎杆状态,停止抓紧钎杆 右手手柄-后 右手手柄-顶端-右 机械手的抓紧钎杆的启动按钮,只要按一下按钮,机械手将抓紧, 用于从储钎器里取出钎杆和从凿岩机位卸下钎杆的抓紧 8 档 右手手柄-顶端-左 5 档旋钮开关 0 1 档 档 用于启动液压系统 打开水,在不启动液压系统时,1 档就只能打开水阀,不启动水泵 开始有钻孔,这是用于开孔时的钻孔输出低水压水流和低冲击,推进也是固定的 低冲击压力钻孔在二档的基础上大开了大流量的水,其他功能保持不变 S179 2 档 3 档 ( 钻孔操作开关) 全速钻孔,这一档是使用最常功能,冲击是高冲击, 推进受 r100 电阻可调,水保持大流量供水 4 档 1 档 锁紧耦合(启动压紧储钎器中间离合器,使其接触受旋转油缸控制) 打开耦合(松开中间离合器,保证旋转油缸不在带动储钎器运转,主要固定储钎器) 退杆(顺时针旋转),让旋转油缸做伸出动作 操作杆-前 操作杆-后 S182 2 档 3 档 ( 储钎器开关) 操作杆-右 4 1 档 档 送杆(逆时针旋转),让旋转油缸回缩,使储钎器运转 操作杆-左 1. 用于启动液压系统;2. 供电给 y354a 夹紧夹钳器,保持开始工作的安全 3 档旋钮开关 S110(夹钳器开关) 2 档 夹钳器导向功能 3 1 档 档 打开夹钳器 气 4 档旋钮开关 S181 2 档 水 ( 空气与水选择开关) 3 档 回转 4 档 回转+气 本。 在金属、非金属矿山实际应用后,达到了很高的 经济效益及社会效益。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 图 4ꢀ 无线遥控单元内部结构 [ [ [ [ 1]ꢀ 郝树林. 我国潜孔钻具的现状与发展[ J]. 矿业研究与开发, 006,26(S1):103-104. 2 2]ꢀ 候天星,王凤新. 基于 nRF2401 的无线数据传输系统[J]. 中国 农学通报,2009,25(7):258-263. 3]ꢀ 蔡ꢀ 型,张思全. 短距离无线通信技术综述[ J]. 现代电子技 术,2004,170(3)65-67. 4]ꢀ 莫利斯. 无线通信[M]. 北京:电子工业出版社,2008. 图 5ꢀ 车载接收单元内部结构 ( 收稿日期 2018-09-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 量,降低了发生职业病几率,减少了设备后期维护成 1 65
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