智能化掘進系統(tǒng)信號傳輸方案設(shè)計

關(guān)鍵詞：智能化掘進系統(tǒng)；遠程監(jiān)控；信號傳輸

中圖法分類號：TD632 文獻標識碼：A

近年來，國家開始大力發(fā)展煤礦智能化建設(shè)，這是現(xiàn)今煤炭企業(yè)的重要任務(wù)，也是今后煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。煤礦智能化建設(shè)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云端數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動化控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、AI識別技術(shù)等與傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)工藝技術(shù)進行融合，使煤炭生產(chǎn)全過程安全高效運行。遠程信號傳輸系統(tǒng)是掘進面智能化系統(tǒng)的重要一環(huán)，該技術(shù)可以讓工作人員遠離工作面進行觀察和操作，相較于在機身司機位操作有更好的觀察視野，安全性得以提高。

為了使工作人員能夠在遠程集控室或是在地面對掘進工作面設(shè)備進行監(jiān)控，需要將工作面現(xiàn)場的視頻信號以及設(shè)備工況參數(shù)傳輸至遠程；而要在遠程平臺控制掘進面設(shè)備，則需要將遠程的控制信號發(fā)送至掘進面設(shè)備控制器，這都要借助遠程信號傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。本文將根據(jù)數(shù)據(jù)信號的傳輸路徑（掘進機——井下集控室——地面），逐段分析遠程信號傳輸系統(tǒng)的搭建方法。

1概述

采用傳統(tǒng)掘進工作方式時，工作人員在現(xiàn)場可以實時觀察設(shè)備及周圍環(huán)境狀態(tài)，隨時對操作步驟進行調(diào)整，而要實現(xiàn)智能化掘進系統(tǒng)遠程操作，則需要采集掘進工作面的設(shè)備工作視頻及數(shù)據(jù)，詳細了解現(xiàn)場工況。掘進機及迎頭巷道上加裝高清攝像儀，可以多角度實時采集現(xiàn)場視頻畫面。掘進機機身上安裝光纖慣導，巷道頂部安裝激光導引裝置組成慣導定位系統(tǒng)，實時監(jiān)測掘進機工作過程中的航向角、橫滾角、俯仰角以及行進距離等位姿信息。加裝超聲波測距雷達，監(jiān)測掘進機機身距離巷道兩幫的距離。通過慣導和雷達測得的數(shù)據(jù)可以計算出掘進機在巷道中的相對位置，以及其在工作時的姿態(tài)，遠程工控機安裝數(shù)字孿生系統(tǒng)則將采集的位姿數(shù)據(jù)映射到工作面設(shè)備和巷道的三維模型上，實現(xiàn)真實場景再現(xiàn)。掘進機自身的電機狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)、故障信息等也傳輸至遠程進行顯示。上述信息在遠程整合顯示，工作人員可參照視頻和數(shù)據(jù)進行遠程操作。

掘進工作面設(shè)備與遠端平臺之間通過信號傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，下文通過不同的控制方式來分段解析信號傳輸系統(tǒng)的搭建方案。智能化掘進系統(tǒng)中一般將掘進機控制方式根據(jù)操作地點的不同分為4種。

（1）本地操作：掘進機操作者在司機位通過機身操作箱按鈕以及操作臺上的液壓閥手柄，來控制掘進機電機啟停以及機身所有液壓閥動作。這是最基礎(chǔ)的操作方式，本地操作時操作者不能離開司機位，因此視野比較有限，只能清晰觀察自身所在一側(cè)的截割工況，而另外一側(cè)則無法觀察全面，特殊情況下需要額外配置一人進行輔助觀察作業(yè)。

（2）視距遙控操作：標配掘進機進行升級改造，普通液壓閥更換為電磁閥以后，掘進機操作者可以通過手持遙控器對掘進機的所有電機及電磁閥進行操作。這種操作方式相較于本地操作的優(yōu)勢在于掘進機操作者擺脫了位置的限制，可以在掘進機周圍任意位置進行操作，隨時觀察掘進機周圍情況，安全系數(shù)增加。

（3）遠程集控室操作：智能化掘進系統(tǒng)在井下硐室設(shè)立有遠程集控室，兼具安全性和舒適性，內(nèi)部設(shè)有2臺工控機、1臺隔爆交換機、6個24英寸本安顯示屏及1個操作面板等元件。工作面視頻、工作參數(shù)等信息實時顯示在集控室顯示屏上，操作者可通過視頻觀察工作面情況，然后通過操作面板對掘進機發(fā)送指令進行遠程控制。

（4）地面調(diào)度室操作：根據(jù)煤礦建設(shè)的具體需求，地面調(diào)度室可設(shè)置不同功能的操作面板，一種是較簡單的僅有急停和一鍵啟停功能的面板，另一種是與集控室相同的全功能面板。地面調(diào)度室同樣可接收工作面視頻信號及掘進機工作參數(shù)，操作者根據(jù)視頻在調(diào)度室操作工作面掘進機。

以上4種控制方式中，除本地操作，另外3種均屬于遠程控制，下文將介紹3種遠程控制的工作原理及實施方法。

2視距遙控控制

視距遙控控制（圖1）屬于短距離數(shù)據(jù)傳輸，遙控發(fā)射器與遙控接收器之間通過無線高頻信號通信，撥動操作遙控器上的鈕子開關(guān)或手柄向接收器發(fā)送指令，接收器通過內(nèi)部單片機運算將遙控信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)掘進機主控制器通信接口類型的232串口信號或CAN信號（依照技術(shù)協(xié)議定制）等，掘進機主控制器即可根據(jù)接收器發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議格式解析出遙控發(fā)射器的開關(guān)量信號和手柄模擬量信號。撥動開關(guān)量信號相當于直接控制操作箱按鈕或者固定開度的電磁閥手柄，用于控制電機啟停及定速電磁閥動作；模擬量信號是由遙控的萬向手柄發(fā)出，這個信號是線性可變的（0～255），因此可以根據(jù)手柄推動的幅度來控制掘進機履帶及截割臂比例閥的開度，從而達到速度可調(diào)的效果。以上信號在主控器程序中進行邏輯運算后，最終輸出信號控制電機及電磁閥動作，達到遠程控制掘進機動作的目的。

遙控控制技術(shù)目前已相對成熟，在地面空曠處測試最遠控制距離可達100米以上，但礦用遙控器的使用場景為掘進工作面，現(xiàn)場工況較為復雜，不僅有錨桿鋼梁等金屬物體會吸收屏蔽一部分高頻無線信號，巷道堆放的物料也會阻擋無線信號的直線傳播，因此在掘進工作面一般操作距離在50米以內(nèi)，一方面要保證信號強度，另一方面若距離過遠，則無法觀察掘進機周圍情況，不利于操作，存在安全隱患。

遙控接收器的安裝要求：接收器的天線要避免與掘進機金屬機身接觸，接收器防護罩要做成開放形式，防止屏蔽信號，另外，接收器周圍不應(yīng)堆放雜物遮擋信號。現(xiàn)在的解決方案一般是在接收器和接收器天線之間增加一根天線延長線，這樣接收器可安裝在防護較好的位置，能夠有效避免磕碰損壞，而天線則可以放置在空曠無遮攔的位置。由于接收器防護到位，裸露在外的只有天線和一部分延長線，即使有掉落物砸到也只需要更換外露部分線材，降低了維護成本。遙控發(fā)射器與接收器之間信號穩(wěn)定是遙控系統(tǒng)可靠工作的前提，因此使用時必須加以重視。

3遠程集控室控制

智能化掘進系統(tǒng)在掘進工作面以外設(shè)置有集控室，掘進機操作者在遠離工作面的位置進行作業(yè)，可以有效避免噪音污染和粉塵污染。由于集控室與掘進機之間的距離已經(jīng)超出了無線高頻信號的傳輸距離，因此無法再采用遙控器的形式進行遠程控制。

可以遠距離傳輸?shù)男盘栍卸喾N類型，常見的有RS485，CAN，TCP/IP等，在智能化掘進系統(tǒng)中，集控室的控制指令需要傳輸至掘進機進行控制，同時掘進機的工作狀態(tài)參數(shù)信號需要傳輸至集控室進行顯示，而工作面視頻信號僅可通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)信號形式傳輸，因此采用TCP/IP信號可以最方便地解決掘進機與集控室之間的數(shù)據(jù)互傳問題。本掘進機電控系統(tǒng)內(nèi)部使用的通信協(xié)議為CAN通信，在電控箱內(nèi)部增加一個CAN轉(zhuǎn)TCP/IP的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將其轉(zhuǎn)換成TCP/IP信號才能接入信號傳輸系統(tǒng)。

有線網(wǎng)絡(luò)傳輸形式：網(wǎng)線的極限傳輸距離為100米，如果集控室布置在距離掘進機100米以內(nèi)的位置，則可以直接用網(wǎng)線連接集控室和掘進機的交換機進行通信。但是，集控室一般都放置在距離掘進機1000米甚至更遠的地方，這時則需在掘進機及集控室各安裝1個光端機，然后在巷道內(nèi)鋪設(shè)光纜，光纜連接2個光端機，從而聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。具體如圖2所示。

直接用網(wǎng)線或光纜連接有如下弊端：由于掘進機在工作過程中是不斷移動的，直接用網(wǎng)線或光纜接在掘進機上容易在其頻繁移動過程中發(fā)生擠壓或斷裂，導致信號中斷。尤其是光纜，如果發(fā)生破損斷裂，在井下工作面重新熔接光纖非常不便。另一個弊端是直連的狀態(tài)下，網(wǎng)線或光纜必須隨著掘進機的向前行進而放長，而放線過長則容易造成線纜堆積，更易發(fā)生擠壓破損，因此基本一個施工班時間便需要放長一次，頻繁放線會增加井下工作人員施工量。

“有線+無線網(wǎng)絡(luò)”傳輸形式：為避免上述事故發(fā)生，可采取“有線+無線”的方式來組成信號傳輸網(wǎng)絡(luò)，在不需頻繁移動的環(huán)節(jié)采用有線連接，而在頻繁移動的環(huán)節(jié)采用無線傳輸，框圖如圖3所示。

集控室到工作面之間的光纜沿巷道壁鋪設(shè)完畢以后一般是不需要再移動的，光纜軸放置在二運轉(zhuǎn)載點，隨著掘進機的前移，逐漸放長光纜。光纜接人轉(zhuǎn)載點光端機，然后光端機連接1個無線基站。在掘進機上安裝1個無線發(fā)射裝置，將掘進機上的視頻畫面及工作狀態(tài)參數(shù)以TCP/IP信號的形式通過無線發(fā)射裝置發(fā)送給二運轉(zhuǎn)載點處的無線基站，最終通過光纜傳輸至遠程集控室：集控室操作面板的控制信號通過信號轉(zhuǎn)換采集板轉(zhuǎn)換為TCP/IP信號，通過光纜、無線基站最終發(fā)送給掘進機，控制其動作，形成信號閉環(huán)回路。這種方案的優(yōu)點在于“有線部分”能保證信號穩(wěn)定遠距離傳輸，“無線部分”則能保證掘進機在工作期間不受網(wǎng)線或光纜的限制，可以自由移動，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)線路斷開導致信號中斷，并且掘進機在每前進30～50米后才需要向前移動一次轉(zhuǎn)載點設(shè)備，不需頻繁放線，既增加了可靠性，又減少了工作人員工作量。

4地面調(diào)度室控制

完整的智能化掘進系統(tǒng)除了井下集控室，還在地面調(diào)度室內(nèi)設(shè)置有遠控系統(tǒng)。井下集控室與掘進機之間組成1個局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號互傳，這是1個獨立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如果要從地面調(diào)度室控制掘進機，同時能觀看工作面視頻，則需要借助煤礦已有的環(huán)網(wǎng)進行信號傳輸。通過光纜連接井下集控室與井下的環(huán)網(wǎng)交換機，即可在地面調(diào)度室接收井下的信號。具體如圖4所示。

地面調(diào)度室遠控系統(tǒng)包括顯示屏和操作面板，顯示屏顯示工作面視頻和掘進機工作參數(shù)，操作面板功能與井下集控室面板一致，操作面板內(nèi)置信號采集板，將面板的按鈕信號和手柄信號轉(zhuǎn)換為TCP/IP信號，通過煤礦環(huán)網(wǎng)傳輸至井下。工作人員能夠通過視頻和掘進機參數(shù)信息實時了解工作面情況，用操作面板操作掘進機，達到地面遠程控制掘進機的目的。

掘進機機身安裝有主令選擇開關(guān)，可以選擇“本地.遠程.地面”三地的控制權(quán)限，本地操作具有最高優(yōu)先級，即使主令開關(guān)選擇了“遠程”或“地面”，當操作本地遙控器時，即可將控制權(quán)限切換至“本地”。

井下工作面除了掘進機，還有工作面粉塵傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、運輸皮帶變頻器、移動變電站、自移機尾等設(shè)備，這些煤礦原有設(shè)備一般帶有RS485協(xié)議或ModbusTCP協(xié)議接口，在這些設(shè)備附近配置帶有485轉(zhuǎn)換模塊的交換機，將設(shè)備信號轉(zhuǎn)換為TCP/IP信號后，可就近接人井下環(huán)網(wǎng)接口。設(shè)備廠家開放通信協(xié)議，即可在井下集控室及地面調(diào)度室進行解析，實現(xiàn)井下設(shè)備集中顯示參數(shù)及控制功能。

智能化掘進系統(tǒng)還開發(fā)配套有云端服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括本地數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺、工控機Web網(wǎng)頁集中管理平臺以及手機APP。井下局域網(wǎng)設(shè)備在接人煤礦環(huán)網(wǎng)時，將智能化掘進系統(tǒng)內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的lP地址設(shè)置成煤礦現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)段，即可將智能化系統(tǒng)的視頻及工作參數(shù)融合至現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)中，智能化系統(tǒng)的掘進機參數(shù)和工作面視頻由本地數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺實時獲取，通過算法轉(zhuǎn)換并封裝成數(shù)據(jù)包推送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器平臺。由礦方開放外網(wǎng)接口并給予特定計算機或手機授權(quán)，則可在計算機瀏覽器或手機APP上實時查看工作面視頻，以及掘進機工作狀態(tài)參數(shù)，突破了地理位置的限制。本地服務(wù)器平臺可長時間存儲井下視頻及工作參數(shù)，通過歷史查詢功能可查看任意時段的工作面視頻及掘進機狀態(tài)參數(shù)，當掘進機出現(xiàn)故障后，也可查看歷史記錄以及故障發(fā)生前后的掘進機工作狀態(tài)參數(shù)，方便維修人員排查故障。

5結(jié)束語

在未來相當長的時期中，煤礦資源仍在我國能源體系中占據(jù)十分重要的地位，從事井下采掘、運輸?shù)任ｋU崗位的人員占現(xiàn)今的煤礦從業(yè)者總?cè)藬?shù)的一半以上，一旦發(fā)生事故，就會造成重大人員傷亡，因此煤礦智能化建設(shè)是大勢所趨。通過應(yīng)用新技術(shù)新設(shè)備，代替工人從事危險且繁重的工作，在“減人”的同時優(yōu)化生產(chǎn)工藝，最終實現(xiàn)煤炭生產(chǎn)全過程少人化、自動化、智能化運行。信號傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是整個智能化掘進系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此仍需要投入力量不斷進行優(yōu)化。隨著技術(shù)的進步，智能化掘進系統(tǒng)的功能正在不斷升級和完善，遠程監(jiān)控技術(shù)有助于實現(xiàn)煤礦井下掘進面等危險環(huán)境少人化甚至無人化的目標，減少安全事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度，對推動煤礦開采工藝技術(shù)革命、實現(xiàn)煤礦產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保證國家能源供應(yīng)具有重要意義。

作者簡介：

朱雷（1989—），本科，工程師，研究方向：煤礦設(shè)備電控智能化系統(tǒng)設(shè)計。