遠(yuǎn)程控制技術(shù)在井下固定碎石中的實(shí)踐和應(yīng)用研究

郝玉春，康磊田，劉利波

（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

1 引言

對(duì)于目前國(guó)內(nèi)礦山來(lái)說(shuō)，井下作業(yè)環(huán)境比較惡劣，各種災(zāi)害時(shí)刻威脅著礦工的生命安全。最大限度的減少現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高本質(zhì)安全水平，實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備遠(yuǎn)程控制甚至自主控制是采礦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

固定碎石機(jī)遠(yuǎn)程控制是操作人員位于地表中控室，通過(guò)遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制系統(tǒng)，并利用現(xiàn)場(chǎng)安裝的視頻監(jiān)控來(lái)獲取碎石機(jī)現(xiàn)場(chǎng)視頻狀況，從而通過(guò)中控室操控裝置，控制井下碎石機(jī)進(jìn)行作業(yè)。而礦山現(xiàn)有視頻及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為搭建設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)、增設(shè)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。

2 固定碎石機(jī)改造設(shè)計(jì)

現(xiàn)對(duì)大尹格莊金礦安裝使用的元征行B450型液壓碎石機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，升級(jí)改造后實(shí)現(xiàn)地表中控室遠(yuǎn)程操控設(shè)備的能力。首先對(duì)采礦車(chē)間-616卸載站和-676卸載站現(xiàn)已安裝使用的碎石機(jī)進(jìn)行改造，同時(shí)，具備將來(lái)與其他安裝使用的碎石機(jī)進(jìn)行全部聯(lián)網(wǎng)控制的能力。采用“一控多”遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許地表中控臺(tái)通過(guò)按鍵切換方式控制地下任意一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。雖然地表中控臺(tái)成本較高，但將來(lái)聯(lián)網(wǎng)更多設(shè)備時(shí)只需支付地下設(shè)備的改造成本，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量越多，單臺(tái)分?jǐn)偝杀驹降?。也可以選用“一控一”遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，每臺(tái)設(shè)備使用獨(dú)立的遠(yuǎn)程控制臺(tái)。升級(jí)改造內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

（1）增加地表遠(yuǎn)程中控臺(tái)；

（3）碎石機(jī)液壓系統(tǒng)升級(jí)改造，以滿足遠(yuǎn)控需要；

（4）利用礦山現(xiàn)有傳輸光纜和視頻系統(tǒng)，以降低改造成本；

（5）系統(tǒng)的所有元器件集成在便于運(yùn)輸和安裝的控制柜中，在出廠前均進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，預(yù)留接線口，現(xiàn)場(chǎng)僅需要簡(jiǎn)單外部接線即可投入使用。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 碎石機(jī)控制系統(tǒng)功能概述

本控制系統(tǒng)分現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和中控室兩部分，并預(yù)留CAN、INTERNET通訊接口以備后續(xù)接入地表中控室。系統(tǒng)框架如圖2。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)

原有現(xiàn)場(chǎng)控制方式不變，主要由控制柜（如圖3）組成，布置在現(xiàn)場(chǎng)碎石機(jī)旁?？刂乒裰饕煽刂破?、接觸器、斷路器、通訊模塊、繼電器、控制箱安裝附件等元器件組成。

圖1

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件組成框圖

圖3 控制柜

圖4 操作臺(tái)系統(tǒng)

3.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

地面系統(tǒng)位于中控室內(nèi)，由工作臺(tái)或者模擬座艙、控制器、通訊模塊、操控裝置、顯示器等組成。操控裝置模擬現(xiàn)場(chǎng)的操作習(xí)慣，操作方便靈活，并增加人機(jī)界面實(shí)時(shí)反饋設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。操作臺(tái)可以根據(jù)整體外觀要求定制（如圖4）。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、中速球、交換機(jī)、光纖及控制室視頻顯示系統(tǒng)組成。在碎石機(jī)的左右兩側(cè)各安裝1支監(jiān)控、后側(cè)安裝1支球形監(jiān)控，左右兩側(cè)監(jiān)控采集碎石機(jī)和液壓站圖像信息，球形監(jiān)控采集整個(gè)破碎工作面的圖像信息，如圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控

3.4 通訊傳輸系統(tǒng)

通信傳輸系統(tǒng)提供了地面操作平臺(tái)與液壓破碎站之間的所有通信任務(wù)，包括操作平臺(tái)對(duì)液壓破碎站的控制通信、碎石機(jī)狀態(tài)信息上傳到操作平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)視器的通信、視頻系統(tǒng)上傳到操作平臺(tái)視頻監(jiān)視器的通信。

中藥有其自然特性，且易變質(zhì)，比如辛夷表面的絨毛極易脫落、當(dāng)歸在暴露環(huán)境下易泛油等，若不加包裝，學(xué)生不便保存和使用。為此，筆者組織學(xué)生將中藥實(shí)物裝入透明的塑料封口袋，建立口袋標(biāo)本。用塑料封口袋包裝中藥既利于保存，又方便隨身攜帶。學(xué)生可以隨時(shí)打開(kāi)封口袋，取出中藥標(biāo)本，直接觀察、聞氣、嘗味。

該系統(tǒng)借用礦區(qū)已經(jīng)建設(shè)的主干網(wǎng)和井下光纖環(huán)網(wǎng)，將中控室的操作平臺(tái)通過(guò)有線方式接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，在井下固定式液壓破碎站工作區(qū)域附近布置井下交換機(jī)，固定式碎石機(jī)通過(guò)有線方式接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)通過(guò)光纖將視頻、設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)到中控室，同理，中控室的控制信息由光纖到達(dá)井下巷道內(nèi)的交換機(jī)，然后傳輸至車(chē)載匯聚器。設(shè)備作業(yè)區(qū)裝有高清攝像頭，可清晰的將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境反饋給操作人員以便于完成遠(yuǎn)程作業(yè)。

3.5 設(shè)備控制顯示屏的顯示情況

圖6 人機(jī)界面

控制系統(tǒng)具備完善的狀態(tài)指示和故障診斷功能，可遠(yuǎn)程查看碎石機(jī)的機(jī)械、液壓、電氣等狀態(tài)信息。設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)可通過(guò)CAN、INTERNET通訊接口遠(yuǎn)程上傳中央控制系統(tǒng)。設(shè)備控制顯示屏顯示情況如下：

（1）顯示設(shè)備電機(jī)工作時(shí)的電壓；

（2）顯示設(shè)備電機(jī)工作時(shí)的電流；

（3）顯示設(shè)備液壓油壓；

（4）顯示設(shè)備液壓油位，并且當(dāng)液壓油低于5%時(shí)設(shè)備不能啟動(dòng)，如在運(yùn)行中設(shè)備會(huì)自動(dòng)切斷主泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)主泵；

（5）顯示設(shè)備液壓油溫；

（6）顯示高壓濾油器濾芯狀態(tài)；

（7）顯示回油濾油器濾芯狀態(tài)。

3.6 操控流程

碎石機(jī)中控室操控的功能，與現(xiàn)場(chǎng)操作習(xí)慣和功能保持一致；操作人員通過(guò)中控室內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碎石機(jī)工況的監(jiān)視。當(dāng)放料口堵塞后，操作人員啟動(dòng)碎石機(jī)，推動(dòng)左右電控比例手柄，產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)輸送到控制器，工業(yè)交換機(jī)將控制器信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)控制器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流以驅(qū)動(dòng)設(shè)備上的電控比例液壓閥，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可以通過(guò)編程調(diào)節(jié)比例閥控制最大最小輸出電流，上升下降坡度及動(dòng)作聯(lián)鎖等。設(shè)備報(bào)警及工作狀態(tài)信息傳輸至中控室控制臺(tái)實(shí)時(shí)顯示。碎石機(jī)同時(shí)具有遠(yuǎn)程和本地控制功能，切換開(kāi)關(guān)安裝在中控室操控臺(tái)。具體可操控的基本功能示意圖如圖7。

圖7 操作方式

4 碎石機(jī)系統(tǒng)改造

4.1 液壓閥改造

因采用遠(yuǎn)程控制方式，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人，系統(tǒng)的一些重要運(yùn)行參數(shù)需在遠(yuǎn)程操作控制臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，必須對(duì)原液壓油箱進(jìn)行改造，增加液位、壓力、油溫傳感器。

4.1.1比例多路閥

因現(xiàn)場(chǎng)固定式碎石機(jī)原系統(tǒng)是液控比例閥組，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的改造，需要更換與原閥組規(guī)格參數(shù)相同的電液比例閥組。改造后的液壓系統(tǒng)完全兼容于原

破碎機(jī)的液壓系統(tǒng)。采用電液比例閥組的改造方法較為方便、有效。特點(diǎn)是具備比例信號(hào)控制、執(zhí)行動(dòng)作準(zhǔn)確。

4.1.2電控比例液壓閥

液壓閥選用比例多路換向閥系列，此款閥用于定量泵或變量泵系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)電控、液控、手控方式進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，且輸入流量只與輸入電流信號(hào)大小或者控制手柄角度成比例變化，而與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)多路執(zhí)行元件以不同壓力、速度獨(dú)立工作，直至執(zhí)行元件所需流量總和大于泵所能提供的最大流量為止。此款閥內(nèi)的定差溢流閥與換向閥內(nèi)的梭閥配合工作，使定量泵出口壓力總是比各路換向閥最高負(fù)載壓力高約9~15bar，定量泵提供的多余流量通過(guò)定差溢流閥以當(dāng)前壓力溢流回油箱。當(dāng)所有換向閥桿位于中位時(shí)（無(wú)操作時(shí)），定差溢流閥以約9~15bar的壓力使泵卸荷，系統(tǒng)處于低壓待機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4.2 電氣控制柜改造

電氣控制柜所有電纜出口均使用電纜防水接頭，整個(gè)控制柜全封閉結(jié)構(gòu)，可有效的防水防塵。控制器選用進(jìn)口品牌，防護(hù)等級(jí)IP67，防水防塵，完全適合惡劣的工況條件；電控手柄及主要元件選用進(jìn)口品牌?？刂苹芈?、站內(nèi)越限信號(hào)及操控臺(tái)電源均使用DC24V，機(jī)身可靠接地，可有效防止觸電事故的發(fā)生。動(dòng)力電源采用AC380V、50Hz。

4.3 控制編程器

采用STW控制編程器，32位處理器，主頻300 MHz。防護(hù)等級(jí)IP67。帶有正負(fù)極反接保護(hù)、高電壓高電流誤入保護(hù)。

智能故障診斷：本控制編程器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出回路（電磁閥或者繼電器線圈）的電流大小，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器上顯示?？蓹z測(cè)開(kāi)路/短路。地面操控操作手柄，輸出模擬開(kāi)關(guān)電流信號(hào)到控制編程器，控制編程器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳輸給交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)光纖傳送到井下交換機(jī)，井下交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線傳送給井下控制編程器，井下控制編程器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬比例電信號(hào)傳送給電控比例液壓閥，從而控制液壓閥桿的行程大小，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快慢動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

大尹格莊金礦通過(guò)對(duì)采礦車(chē)間-616卸載站和-676卸載站已安裝使用的2臺(tái)碎石機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制改造，利用智能控制、信息、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下碎石機(jī)遠(yuǎn)程控制，操作人員在綜合調(diào)度中心進(jìn)行操作，不但解決了現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣的問(wèn)題，減少了現(xiàn)場(chǎng)工人數(shù)量，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，也減少了操作人員上下井的時(shí)間，使作業(yè)過(guò)程可視化，極大地提高了本質(zhì)安全水平。