自動控制系統(tǒng)在某地下礦山的研究應用*

許躍龍，朱貴運

（彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657600）

隨著機械制造技術、信息化技術、智能制造技術的不斷發(fā)展，我國礦山機械化和自動化水平不斷提升[1]。某地下鉛鋅礦山井下原礦運輸是通過各中段溜礦井將原礦放到主運輸巷道放礦機，再經有軌運輸電機車運至提升斜井和豎井向外運輸。采用電機車牽引礦車，井下有軌運輸量較大。每臺電機車為雙向開車，配兩名電機車司機。同時放礦機處設置有專人放礦，放礦、裝礦、卸礦、扳道等環(huán)節(jié)均由人工操作和看守。根據調度任務電機車司機前往裝礦點裝礦，由放礦工進行裝礦。放礦工每裝完一節(jié)礦車和司機進行溝通移車，再進行裝礦。整個運輸過程需要電機車司機與放礦工密切配合，如果溝通不及時極易造成多裝、少裝和掉礦。電機車在運行過程中司機需停車、下車、扳道岔、上車、啟車五個步驟，存在一定的安全隱患，且無法及時、有效、科學的控制，也造成了效率的降低。對于電機車司機本身，在駕駛過程中需要手動起降電機車升降工，操作繁瑣。同時，車場中段溜井粉塵、噪聲大，極易造成職業(yè)病傷害，裝礦與電機車運行交叉存在一定的事故安全隱患。因此，研究在該井下具備人車分離基礎條件的中段，建設電機車無人駕駛和裝卸礦自動控制系統(tǒng)意義重大，對實現井下運輸作業(yè)效率提升、改善惡劣環(huán)境人工作業(yè)和為企業(yè)創(chuàng)造經濟效益等方面均能起到重要作用。

1 無人機車系統(tǒng)國內發(fā)展概況

國內無人駕駛車輛的研究相對于國外開展得要晚，在當今的柔性制造系統(tǒng)中，有軌車（Rail Guided Vechicle）、自導車 （Rail Guided Vechicle）已成為主要工件傳輸工具。RGV以定位精度高、速度快在柔性制造系統(tǒng)中大量使用；AGV以其路徑柔性好適用于大型及非線性布置的場合，有些大型柔性制造系統(tǒng)中，RGV與AGV并存，RGV負責單元內的工件運輸，AGV負責各單元和立體工件庫之間的運輸任務。

2011年12月12日，我國第一臺無人駕駛變頻電機車在湖南湘潭牽引機車廠下線。此次下線的無人駕駛變頻電機車全稱是“噸礦用架線式雙機牽引無人駕駛變頻調速電機車”，由中國恩菲工程技術有限公司和湘潭牽引機車廠聯合研發(fā)，是一款集多學科技術于一體的機電產品，綜合運用了計算機控制技術、總線技術、無線通信技術、變頻調速技術等，并首次將智能化控制引用到無人駕駛電機車運輸系統(tǒng)中來，其運行狀態(tài)具有單機和雙機兩種模式。

2 系統(tǒng)構建目標和功能

2.1 構建設計目標

以保障生產高效運行、改善勞動強度和簡化操作為原則。綜合考慮礦區(qū)現有設施及后續(xù)建設，建設穩(wěn)定可靠且先進成熟的電機車自動化控制系統(tǒng)。將放礦工、電機車司機等人的工作職能整合至現有的地面調度指揮中心，將電機車無人駕駛運行同裝卸礦、軌道衡計量聯動控制。完成后電機車自動運行至溜井震動放礦機裝礦，自動運行至提升斜井和豎井卸礦點，卸礦后自動運行到停車點等待裝礦。一列車裝礦后操作人員可以立即切換下一列車進行裝礦、稱重，如此循環(huán)。

2.2 系統(tǒng)功能設計

在井下有軌運輸無人駕駛系統(tǒng)中，電機車從卸載站開始。按照各采場和各個礦房溜井測量礦量基礎數據，根據生產開采礦量到采區(qū)溜井后，以基本固定裝載量為標準限制裝載重量和方量進行遠程遙控裝礦[2]。按照計劃自動調度電機車進行裝礦，并且根據運輸線路和時段對受電弓自動升降。而電機車整流硐室供配電時間控制，則根據電機車自動運行線路和時間進行供配電自動控制。同時對電機車到卸載站完成自動卸載后設計自動清掃功能，保障電機車運行順暢。

系統(tǒng)設計功能如下：①振動放礦機變電所內設備運行狀態(tài)在線監(jiān)測與視頻在線監(jiān)視；②電機車無人駕駛控制（ATP/ATO）；③電機車實時精準定位；④根據溜井料位、礦石品位優(yōu)化電機車調度方案；⑤通過視頻監(jiān)視配合遠程高效裝礦控制；⑥紅綠燈、轉轍機交通管制控制（信集閉控制系統(tǒng)）；⑦電機車卸礦自動控制及自動清掃；⑧電機車動態(tài)稱重（軌道衡系統(tǒng)）；⑨主干網絡與運輸巷道無線通訊網絡融合；⑩運輸水平所有運輸設備的運行狀態(tài)及視頻監(jiān)控（裝礦、運輸、卸載、道岔等）實時在毛坪礦調度指揮中心顯示；11○將人員的工作位置由井下移動到地面，并將多工種合并為一人操控，減少人員成本和職業(yè)病的發(fā)生，最大程度為企業(yè)降低成本；12○遠程遙控裝礦功能，電機車能夠全自動無人駕駛運行，實現控制室一操控臺監(jiān)控多臺電機車，提高作業(yè)效率；13○自動記錄井下運輸的各項數據，統(tǒng)計形成生產報表，為生產統(tǒng)計分析提供基礎數據；14○能夠與上層的自動化系統(tǒng)進行集成；15○實時監(jiān)測電機車運行狀態(tài)，對出現的預警、故障等信息進行報警和自動保護，便于判斷、分析電機車運輸裝礦，保證電機車的安全高效穩(wěn)定運行。

2.3 系統(tǒng)組成模塊

綜合考慮礦區(qū)現有設施在主要運輸中段310 m中段建設，系統(tǒng)由地表和井下部分組成。地表部分將放礦工、電機車司機等人的工作職能整合至統(tǒng)一到調度指揮中心，通過集中操控電機車的同時進行裝卸礦。井下部分主要包括中段運輸PLC控制系統(tǒng)、變頻電機車、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電機車定位系統(tǒng)以及通訊網絡系統(tǒng)，通知配置配套建設軌道衡用于運輸裝礦計量[3]。整個系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電機車無人駕駛系統(tǒng)架構圖Fig.1 Structure chart for unmanned system of motor cars

3 各功能單元設計

毛坪礦電機車無人駕駛系統(tǒng)主要包括派配礦單元、機車自動單元、裝礦單元、運行單元、卸礦單元、軌道控制單元和通信網絡單元[4]。系統(tǒng)各功能單元如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能單元框圖Fig.2 Block diagram of system functional units

3.1 派配礦單元

結合毛坪礦現場，將派配礦單元控制中心設在現地表調度中心。負責310 m中段有軌運輸系統(tǒng)設備的自動化集中操控和管理。通過安裝電機車遠程控制系統(tǒng)操作臺，分別顯示和控制電機車、放礦機、卸載站、信集閉、網絡等控制單元；控制中心系統(tǒng)包括數據智能分析單元，放礦控制單元，電機車控制單元等。實現控制中心對整個系統(tǒng)的監(jiān)控功能、遠程遙控生產。主要硬件構成：服務器、電機車遠程駕駛操作臺、工控機、UPS等設備。

3.2 機車單元

原有的電機車均為串電阻調速，不具備無人駕駛系統(tǒng)條件。在310 m中段配置變頻調速電機車，并在電機車本體安裝ATP/ATO控制單元及核心控制單元、網絡無線客戶端、控制觸摸屏、網絡攝像頭以及必要的輔助設備[5]。本單元實現電機車遠程遙控功能、電機車與控制中心通訊功能、電機車的各項保護功能以及電機車自動駕駛功能。電機車在遠程遙控過程中，為了方便司機操作，降低在整個作業(yè)期間的疲勞程度，設計多種人性化功能。比如：彎道限速、定速巡航、裝礦定速巡航、裝礦自動對車、卸載站限速通過、受電弓自動升降等。

3.3 裝礦單元

在振動放礦機前方安裝攝像頭，將畫面?zhèn)鬏數娇刂浦行牟僮髋_的顯示器上。使操作人員能夠通過觀察現場畫面確定裝礦情況，避免車輛的上裝、冒裝等現象的發(fā)生。同時在儲礦倉安裝視頻監(jiān)控和雷達料位計，實時掌握礦倉料位情況，為車輛調度提供基礎數據，同時實時監(jiān)測儲礦倉狀態(tài)，出現異常自動彈出報警。對現場儲礦倉振動放礦機進行自動化改造，同時輔以視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現控制中心一對多遠程遙控電機車的裝礦、運輸和卸載等工作。一人操控電機車并同時通過視頻遠程控制裝礦，提高裝礦速度。遙控裝礦單元包括：遠程操作部分、裝礦站控制部分、視頻監(jiān)控部分，通過以上三部分為電機車無人駕駛奠定基礎。

遠程操作部分主要是遙控放礦操作臺，安裝在調度指揮中心內。遙控放礦操作臺與遙控電機車操作臺融合為一個操作臺，操作臺上設置1套操控放礦裝置和1套電機車遙控裝置。操作臺上安裝控制臺板，上面布置操控手柄及按鈕。每套遙控操作臺前部安裝兩臺視頻顯示單元和一臺計算機監(jiān)控單元。操作臺前安裝視頻監(jiān)視顯示器一臺，用于顯示裝礦站和卸礦站工作畫面，實現對振動放礦機裝礦控制功能。

3.4 運行單元

3.4.1 電機車精確定位

電機車無人駕駛單元的關鍵點在于是否能夠實時準確的掌握電機車位置，單元中必須將機車位置精確掌握才能保證整個單元的安全穩(wěn)定的運行。單元中在運輸線重要節(jié)點位置加裝定位裝置，并根據無線通訊基站的鏈接節(jié)點，確定機車位置[6]，使其定位精度達到（300～500）mm，滿足遠程控制需求。機車精確定位由定位數據采集單元、測速編碼器、機車精確定位、定位標簽等檢測裝置組成。在軌道上安裝定點檢測裝置定點檢測，當電機車到達該點時，裝置輸出信號，根據定位的不同觸發(fā)不同控制指令。主要包括：①在整個軌道內合理布置定點檢測裝置，切實避免區(qū)間劃分模糊，實現電機車的安全分區(qū)管理，同時對電機車位置進行校準；②在卸礦站前后分別加裝定點檢測裝置，用于觸發(fā)減速和判斷卸礦完成；③在軌道衡前后分別加裝定點檢測裝置，用于觸發(fā)和判斷計量完成；④在軌道道岔合點處設置定點檢測裝置，對軌道道岔轉轍機所在區(qū)間實現過車關聯拒動；⑤其他供方認為需要加裝定點檢測的位置。

定點檢測裝置能夠完成機車運行的分區(qū)管理，在程序中可對不同分區(qū)進行速度設定，使機車運行在較理想狀態(tài)。確定電機車的精確位置后根據現場的實際行駛位置，從而控制受電弓自動升降和整流硐室供配電時機，電機車自動行駛到卸載站完成自動卸載等循環(huán)工作流程。

3.4.2 牽引變自動控制

牽引變自控單元主要采集牽引整流變的開停狀態(tài)、電壓、故障等信號，檢測供電電源是否正常，并能實現遠程啟停整流柜。采集的信號進入牽引變內設置的自控柜，最終傳輸到控制中心，實現牽引整流變的遠程監(jiān)視。當牽引整流變出現故障時，控制中心發(fā)出指令，控制相應的電機車減速停車，保護設備及人員安全。

3.5 卸礦單元

自動卸礦單元主要包含自動卸礦、自動清掃、視頻監(jiān)控等功能。在卸礦出入口處各增加一套視頻攝像機，通過網絡實時將卸礦地點的信息傳輸到控制中心，使得遠程監(jiān)視人員能夠掌握卸礦站的運轉情況。配置一套自動噴霧降塵裝置，使現場滿足環(huán)保標準。

3.6 軌道控制單元

該單元是地面遠程遙控電機車的基礎，統(tǒng)一協調指揮電機車運行路線，實現運輸過程信號燈自動提示和電動道岔自動控制[7]。但現場道岔均為手工操作，不具備遠程控制條件，因此在310 m中段建設初期設計和使用電動礦用電動轉轍機，實現扳道滿足遠程控制條件。井下電機車實現運輸和裝卸礦全流程閉鎖運行，用電動道岔替換人員現場下車手動板道岔，能夠保證電機車井下運輸的安全和現場無人操作。

信集閉控制單元采用集散式計算機控制結構，上位機設在控制中心，下位機由1套西門子1500系列主站和多套遠程IO分站構成。主站安裝在地面控制中心，分站根據控制的就近性，統(tǒng)一設計安裝，用于控制就近的轉轍機、紅綠燈。主站與分站，分站與分站之間均通過光纖、交換機相連接，完成數字信號傳輸。軌道控制構成如圖3所示。

圖3 軌道控制單元構成圖Fig.3 Composition diagram for control units of rolling road

3.7 通訊網絡單元

依據礦山通信現狀設計集成通訊、監(jiān)控一體化的網絡單元，采用統(tǒng)一標準工業(yè)以太網網絡架構以及當前國際流行的有線和無線相結合的技術方案。有線基礎網絡架構基于1 000 Mb/s光纖以太網構建，無線網狀架構則基于標準WIFI技術，為設備的數據傳輸提供一個公用平臺。目前毛坪礦已有工業(yè)環(huán)網，搭建有線與無線網絡并與原有的工業(yè)環(huán)網進行接入，實現310 m中段電機車無人駕駛系統(tǒng)與地表通訊需要。

無線基站接收電機車車載設備采集的各種信息，主要包括識別電機車車號、運行速度、運行方向、故障、各種運行狀態(tài)等，并通過環(huán)網將信號傳輸到控制中心，同時向電機車發(fā)出控制指令[8]。根據實際在310 m中段主運輸巷道直線段每隔100 m布置一臺基站，曲線段每隔50 m放布置基站。每臺通信基站配置2根定向天線用以覆蓋巷道的兩個方向，實現中段無線網絡全覆蓋，保證遠程操控的穩(wěn)定可靠，消除信號盲區(qū)和信號弱的區(qū)域滿足電機車遠程遙控的需求?；就ㄟ^光纖有線連接，形成環(huán)網與公司原有主干環(huán)網相連接，與控制室操作臺單元相融合。此單元能夠保證電機車視頻、電機車控制的實時有效性。

4 效益分析

通過電機車無人駕駛和裝卸礦自動控制實現毛坪礦310 m中段主運輸無人化，能夠提高流程處理能力、勞動生產效率。同時能夠有效降低安全風險、提高安全管控能力，有效控制職業(yè)病危害。最大限度的減少310 m中段運輸和裝卸礦操作人員，提高生產組織效率的同時提高本質安全水平、提升職業(yè)健康水平、避免職業(yè)病的發(fā)生。

按照310 m中段運輸量計算，需要四趟雙向電機車進行運輸。通過自動運行功能和一人操控監(jiān)視多臺電機車遙控裝礦，按照現平均電機車司機及放礦工9.6萬元/人和標準控制電機車運行速度計算。通過在310 m中段實施無人電機車，所產生的直接經濟效益614.4萬元/年，如表1所示。

表1 直接經濟效益統(tǒng)計表Tab.1 The statistical table of direct economic benefits

除在降低成本方面外，在管理和人才隊伍建設方面，能夠確保數據的真實性和準確性，讓數據從最原始的計量獲取保持數據和信息的唯一性，減少人為影響。還能夠更精確統(tǒng)計和分析310 m中段主要運輸礦量和主要運輸時間，更加便于管理人員精確實現進行礦石運輸調度，實時掌握井下運輸礦量數據動態(tài)變化，及時發(fā)現井下運輸調度管理基礎工作中的問題和缺陷。

5 結語

1）實施井下電機車無人駕駛和裝卸礦自動控制，可實現毛坪礦井下310 m中段主運輸巷道對原礦的無人運輸；

2）能夠部分解決井下用工難問題，能夠提升運輸流程能力的同時每年產生直接經濟效益614.4萬元；

3）實施電機車無人駕駛和裝卸礦自動控能為礦山智能化奠定人才基礎和積累建設經驗，有利于地下鉛鋅礦山智能化礦山建設。