唐口煤礦綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制技術(shù)

劉延生

(山東唐口煤業(yè)有限公司， 山東 濟(jì)寧 272055)

0 引言

巷道掘進(jìn)是煤炭開采過程中重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)效率高低對煤礦高效生產(chǎn)具有重要影響。20世紀(jì)70—80年代，我國進(jìn)行了大規(guī)模綜掘裝備引進(jìn)，推動了巷道掘進(jìn)由人工采煤、炮采、普采到綜掘的技術(shù)革命，成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展史上具有里程碑意義的事件。然而，綜掘工作面存在高粉塵、高濕度和高噪聲等職業(yè)危害，同時冒頂片幫、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、底板突水等事故風(fēng)險時刻威脅礦工的生命安全。將智能化開采技術(shù)應(yīng)用到綜掘工作面中，對于提升綜掘質(zhì)效有非常重要的作用。

綜掘工作面智能化技術(shù)目前還處于起步發(fā)展階段[1]。張科學(xué)[2]基于現(xiàn)場調(diào)研、統(tǒng)計分析，確定了綜掘工作面智能化無人開采技術(shù)分2個階段，即可視遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化無人開采和自適應(yīng)型智能化無人開采。隨著信息技術(shù)尤其是光電技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于綜掘設(shè)備智能化感知與控制[3]，有助于實現(xiàn)設(shè)備與生產(chǎn)工藝的遠(yuǎn)程控制。

綜掘機(jī)智能化是智能化綜掘工作面的核心技術(shù)。綜掘機(jī)定位控制、煤巖智能識別、巷道斷面智能截割成形控制等是目前的重點研究方向。王巖杰[4]結(jié)合遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確定了基于進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜掘機(jī)智能控制系統(tǒng)，提高了綜掘機(jī)生產(chǎn)效率，簡化了綜掘機(jī)操作流程；朱偉等[5]針對現(xiàn)有以普通PLC和專用控制器為核心的煤礦掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)存在開發(fā)成本高、維護(hù)量大、跨平臺移植難等問題，設(shè)計了一種基于嵌入式軟PLC技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)；朱信平等[6]提出了一種基于全站儀的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測量方法，為實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動定向掘進(jìn)奠定了基礎(chǔ)；符世琛等[7]提出了一種基于超寬帶測距技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)位姿檢測系統(tǒng)；毛清華等[8]、張旭輝等[9-10]針對現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)視頻監(jiān)控和遙測遙控等方式存在圖像不清晰、無法真實反映掘進(jìn)機(jī)位姿和工況等問題，分別提出了融合多傳感器信息的煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)空間位姿監(jiān)測系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)器人虛擬仿真與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提高了掘進(jìn)機(jī)在巷道中的定位和自動掘進(jìn)能力；曲廣財?shù)萚11]采用PLC實現(xiàn)了井下巷道掘進(jìn)過程中的斷面自動成形及截割自動化控制。在綜掘工作面通信、多工序聯(lián)動控制方面，宗偉林等[12]提出了一種基于電力載波的煤礦井下綜掘工作面監(jiān)測系統(tǒng)，減少了因通信鏈路故障導(dǎo)致通信中斷的問題；淮南礦業(yè)集團(tuán)將智能控制理論應(yīng)用到井下巷道綜掘作業(yè)施工過程，將掘進(jìn)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、輸送機(jī)進(jìn)行聯(lián)動控制，節(jié)省了人力資源，減輕了勞動強(qiáng)度[13]。

目前我國綜掘機(jī)自動化及綜掘工藝智能化方面的研究和應(yīng)用已初見成效，但在智能化感知與遠(yuǎn)程控制技術(shù)上仍有所欠缺。本文以山東唐口煤業(yè)有限公司(簡稱唐口煤礦)為例，綜合利用綜掘機(jī)自動定位控制、自動截割控制、遠(yuǎn)程自動控制、智能決策等技術(shù)，對綜掘機(jī)進(jìn)行自動定位和一鍵截割智能化改進(jìn)，研發(fā)了綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，有效提升了綜掘機(jī)智能化水平，實現(xiàn)了綜掘工作面局部危險區(qū)域的無人化作業(yè)。

1 綜掘機(jī)自動定位與截割控制

綜掘機(jī)自動定位是實現(xiàn)自動截割的基礎(chǔ)。目前綜掘機(jī)截割無論原機(jī)操控作業(yè)還是遙控作業(yè)，均需人員干預(yù)。本文采用全站儀配合各類傳感器實現(xiàn)綜掘機(jī)定位，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜掘機(jī)自動截割控制設(shè)計，實現(xiàn)了綜掘機(jī)遠(yuǎn)程一鍵截割。

1.1 綜掘機(jī)自動定位

綜掘機(jī)自動定位的關(guān)鍵是智能化監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備。采用全自動防爆全站儀、自動測量控制系統(tǒng)、信號輸出及遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)等，實現(xiàn)被測目標(biāo)自動捕捉、測量數(shù)據(jù)綜合計算及自動輸出等。

綜掘機(jī)自動定位原理如圖1所示。對后視棱鏡和全站儀位置進(jìn)行測量定位放樣，將后視棱鏡和全站儀作為已知固定點。全站儀對目標(biāo)棱鏡(前視棱鏡)進(jìn)行自動觀測，實現(xiàn)對綜掘機(jī)起始位置的精確定位。結(jié)合預(yù)設(shè)的截割位置，計算綜掘機(jī)由起始位置運行到截割位置的軌跡。綜掘機(jī)運行到截割位置后再次定位，以實現(xiàn)對綜掘機(jī)截割位置校準(zhǔn)。自動測量控制系統(tǒng)判斷綜掘機(jī)是否需要二次修正或調(diào)整截割頭截割軌跡，以滿足施工精度要求。

圖1 綜掘機(jī)自動定位原理Fig.1 Automatic location principle of fully-mechanized roadheader

后視棱鏡吊掛安裝在巷道頂板上，距頂板0.3～1.5 m，可根據(jù)巷道坡度調(diào)整，以視線通視為準(zhǔn)。全站儀安置在專用支架上，其運行環(huán)境須滿足穩(wěn)定、不抖動、不位移、前后視線通視條件。全站儀上方設(shè)計有防水頂棚，并設(shè)有防塵裝置。后視棱鏡與全站儀間距不小于30 m。2部前視棱鏡串聯(lián)安裝在綜掘機(jī)右側(cè)，在綜掘機(jī)運行時前視棱鏡與全站儀視線通視不遮擋。2部前視棱鏡連接線平行于綜掘機(jī)中軸線，棱鏡間距不小于1.2 m，2號棱鏡比1號棱鏡高0.5 m，如圖2所示。

圖2 綜掘機(jī)前視棱鏡安裝Fig.2 Fore-sight prism setting of fully-mechanized roadheader

1.2 綜掘機(jī)自動截割控制

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際，采用中央處理器、超聲波傳感器、陀螺儀、位移傳感器、傾角傳感器、流量傳感器、電磁閥等，對綜掘機(jī)操作系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)了綜掘機(jī)定位數(shù)據(jù)分析、截割動作自動規(guī)劃、機(jī)身姿態(tài)及各部件動作適時調(diào)整等功能，并可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件變化設(shè)置報警閾值，超出閾值時發(fā)出報警或做停機(jī)處理。

操作系統(tǒng)的改造主要包括增設(shè)中央處理器、通信模塊、遠(yuǎn)程控制端等；電控系統(tǒng)的改造包括設(shè)置斷路器、控制按鈕等，實現(xiàn)綜掘機(jī)自動停送電；液壓系統(tǒng)的改造為將液控閥改為比例電磁閥，實現(xiàn)對各油缸、馬達(dá)等自動控制。另外，通過在綜掘機(jī)機(jī)身兩側(cè)增設(shè)超聲波傳感器、內(nèi)部設(shè)置陀螺儀、增設(shè)油缸位移傳感器、在截割臂及鏟板設(shè)置傾角傳感器、設(shè)置主進(jìn)出油管流量傳感器、在行走部設(shè)置編碼器等，實現(xiàn)截割參數(shù)實時監(jiān)測。

根據(jù)綜掘機(jī)截割作業(yè)流程，開發(fā)了自動控制與遠(yuǎn)程手動控制2種模式(可相互切換)。綜掘機(jī)按設(shè)定路線自主定位、行走，按規(guī)劃軌跡自動截割，作業(yè)過程中可根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件變化及時調(diào)整機(jī)身姿態(tài)及各部件動作。綜掘機(jī)作業(yè)過程可在遠(yuǎn)程控制平臺實時顯示。

綜掘機(jī)自動截割控制流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行設(shè)備程序自檢，若自檢有錯誤則發(fā)出提示或警告，無錯誤則啟動油泵電動機(jī)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，順序啟動帶式輸送機(jī)、第二輸送機(jī)、第一輸送機(jī)，若出現(xiàn)問題立即停止當(dāng)前及上一級設(shè)備運轉(zhuǎn)，待問題解決后再順序啟動。然后根據(jù)煤量及底板硬度，控制鏟板抬起相應(yīng)角度，啟動星輪及截割電動機(jī)，執(zhí)行截割臂掃底程序，根據(jù)陀螺儀指向隨時調(diào)整2個行走馬達(dá)供油量，保證掘進(jìn)機(jī)按規(guī)定路線前進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)到達(dá)指定位置后支起鏟板及后支撐，確保機(jī)身穩(wěn)定，啟動截割電動機(jī)，執(zhí)行截割程序，并根據(jù)監(jiān)控反饋信息與截割行走設(shè)定軌跡，執(zhí)行截割、退機(jī)、刷幫、出煤、退機(jī)程序，完成自動截割作業(yè)，該過程中需執(zhí)行2次退機(jī)調(diào)整作業(yè)。之后判斷綜掘機(jī)是否到達(dá)指定位置，若未到達(dá)則再次執(zhí)行退機(jī)程序，直至到達(dá)指定位置，執(zhí)行停機(jī)程序。

圖3 綜掘機(jī)自動截割控制流程Fig.3 Automatic cutting control process of fully-mechanized roadheader

唐口煤礦綜掘工作面采用全自動防爆全站儀對綜掘機(jī)初始位置進(jìn)行定位，根據(jù)預(yù)設(shè)工作位置規(guī)劃綜掘機(jī)運行軌跡，且軌跡可自動修正。綜掘機(jī)機(jī)身傳感器可實時監(jiān)測綜掘機(jī)運行狀態(tài)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給中央處理器進(jìn)行分析運算，進(jìn)而實現(xiàn)綜掘機(jī)自動定位與截割控制，為綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

2 綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計

綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制綜掘機(jī)自動截割，使截割期間工作人員遠(yuǎn)離綜掘工作面，提高了綜掘工作面安全生產(chǎn)水平。該系統(tǒng)在綜掘機(jī)自動定位與截割控制基礎(chǔ)上設(shè)計，主要由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制平臺組成，如圖4所示。系統(tǒng)具有綜掘機(jī)本機(jī)操控、無線遙控、遠(yuǎn)程控制3種控制模式。無線遙控模式是將原有的綜掘機(jī)固定作業(yè)方式改造為人機(jī)分離的靈活作業(yè)方式，司機(jī)無需在機(jī)身固定操作位上進(jìn)行操作，在距綜掘機(jī)一定距離范圍內(nèi)進(jìn)行遙控操作。遠(yuǎn)程控制模式采用多種傳感設(shè)備感知現(xiàn)場環(huán)境，實時采集并顯示綜掘工作面環(huán)境圖像及綜掘機(jī)運行狀態(tài)，通過分析采集數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制綜掘機(jī)移動、截割。

(1) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為實現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制平臺實時查看現(xiàn)場工況，設(shè)置安裝了多臺攝像機(jī)，如圖5所示。在綜掘機(jī)前端設(shè)置1號和2號專業(yè)透塵攝像機(jī)，通過機(jī)器視覺算法將獲取的模糊圖像轉(zhuǎn)換為可識別圖像，可在粉塵、水霧環(huán)境下獲取綜掘機(jī)截割頭及掘進(jìn)工況圖像。在綜掘機(jī)機(jī)身前端兩側(cè)分別設(shè)置3號和4號高清攝像機(jī)，以全方位觀測鏟板及鏟板上2個星輪運行狀況。在綜掘機(jī)機(jī)身上方設(shè)置5號高清攝像機(jī)，用于觀測刮板輸送機(jī)運行狀況。在綜掘機(jī)尾部兩側(cè)分別設(shè)置6號和7號高清攝像機(jī)，用于觀測綜掘機(jī)兩側(cè)狀況，以便倒車時確認(rèn)綜掘機(jī)與巷道壁距離，以及綜掘機(jī)與帶式輸送機(jī)之間的距離。在橋式膠帶尾部設(shè)置8號高清攝像機(jī)，用于觀測橋式膠帶兩側(cè)狀況，以便倒車時確認(rèn)橋式膠帶與帶式輸送機(jī)之間的距離。

圖4 綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of intelligent remote control system for fully-mechanized roadheader

圖5 攝像機(jī)安裝位置Fig.5 Setting location of cameras

(2) 電液控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的綜掘機(jī)大多采用手動液壓控制方式實現(xiàn)設(shè)備操作，對實現(xiàn)綜掘機(jī)無人化操作、自動化改造構(gòu)成制約。將綜掘機(jī)原有的手動液壓系統(tǒng)升級為手動、電動兩用液壓系統(tǒng)，可實現(xiàn)綜掘機(jī)本機(jī)操控、無線遙控、遠(yuǎn)程控制3種模式。

(3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了實現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制時實時獲取綜掘機(jī)工況信息，在綜掘機(jī)上安裝了多種數(shù)字傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、振動頻率傳感器等。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程控制模式下，作業(yè)人員遠(yuǎn)撤，操作工位遠(yuǎn)離綜掘工作面，現(xiàn)場視頻、設(shè)備運行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等需實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制平臺。遠(yuǎn)程控制平臺和綜掘機(jī)控制箱之間通過光端機(jī)及光纜傳輸數(shù)據(jù)和控制信號。光纜沿綜掘機(jī)主電纜方向布線，實際長度根據(jù)現(xiàn)場確定，最遠(yuǎn)傳輸距離超過10 km。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸均采用閉環(huán)控制方式雙向傳輸。通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中的“握手”信號，判斷指令動作執(zhí)行的可靠性。發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動停止執(zhí)行動作并發(fā)出報警，避免發(fā)生設(shè)備損壞甚至安全事故。

(5) 無線遙控系統(tǒng)。無線遙控系統(tǒng)通過2.4 GHz頻段傳輸信號，具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等特點。遙控器內(nèi)置微處理器，對控制信號進(jìn)行實時編解碼和分析，對操作動作優(yōu)先級進(jìn)行排隊，屏蔽錯誤操作動作，防止誤操作。

無線遙控系統(tǒng)裝置小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部采用本質(zhì)安全型可充電電池供電，可維持48 h左右正常供電。

(6) 遠(yuǎn)程控制平臺。該平臺由操作臺、顯示器及圖像處理軟件組成，可實時顯示綜掘工作面環(huán)境圖像及設(shè)備運行狀態(tài)。為了滿足操作人員習(xí)慣，遠(yuǎn)程控制平臺的操作布局在綜掘機(jī)原有操作布局基礎(chǔ)上進(jìn)行合理優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程控制平臺操作布局Fig.6 Operation layout of remote control platform

在操作臺上設(shè)置一套與掘進(jìn)機(jī)操作手柄布局一致的操縱桿，將行走部分的操控由雙推桿模式優(yōu)化為360°全向搖桿模式。顯示器具備多畫面切換功能，可顯示單路、多路或全方位圖像；可顯示井下掘進(jìn)參數(shù)曲線，通過分析參數(shù)變化，判斷掘進(jìn)工況是否正常。當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)超出正常范圍、出現(xiàn)較大偏差或變化幅度較大時，說明綜掘機(jī)出現(xiàn)異常情況。提示煤礦管理或技術(shù)人員分析異常原因，為遠(yuǎn)程分析判斷掘進(jìn)及設(shè)備狀態(tài)、問題診斷、現(xiàn)場管理及決策提供依據(jù)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

唐口煤礦井田面積為72.2 km2，目前共有6個綜掘工作面，以往通常每個班組需要3～4人操作綜掘機(jī)，人均工作效率較低，且地面安全管理部門無法直接監(jiān)控，安全隱患多。因此，煤礦對綜掘機(jī)進(jìn)行了智能化遠(yuǎn)程控制升級改造。截至2019年6月，完成了全礦井6臺綜掘機(jī)智能化改造，均實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能控制，取消了雙人操作綜掘機(jī)的作業(yè)模式，實現(xiàn)了截割期間人機(jī)分離。地面調(diào)度室可通過傳輸網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)情況，在突發(fā)情況下可直接指揮處理，降低了事故損失。綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用情況如圖7所示。

(a) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

以唐口煤礦1個綜掘工作面為例，實施綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)后，截割期間綜掘工作面30～50 m范圍內(nèi)無人作業(yè)，避免了因沖擊地壓、冒頂?shù)仍斐扇松韨?。綜掘機(jī)司機(jī)在粉塵較少的機(jī)后遙控操作，有利于身心健康。每班只需1名操作人員，減少了1名綜掘機(jī)輔助照明人員，達(dá)到了減員提效的目的。

4 結(jié)語

唐口煤礦綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了綜掘機(jī)遠(yuǎn)距離一鍵截割，提高了現(xiàn)場無人化值守程度，有效降低了綜掘工作面粉塵、沖擊地壓等對工作人員的人身傷害風(fēng)險，對提升綜掘機(jī)智能化和煤礦安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

由于地下工程的復(fù)雜性和不確定性，需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料作為綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制分析的數(shù)據(jù)庫。目前綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析和利用、軟件功能等方面需進(jìn)一步研究。此外，構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺，分析綜掘工作面地質(zhì)條件、外部環(huán)境等影響因素及綜掘機(jī)平均工效，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法完善綜掘機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能，也是今后的研究重點。