眼前山鐵礦中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)應(yīng)用研究

張海勝 ,張寶金 ,翟建波 ,遲 強(qiáng) ,陳小偉 ,劉育明 ,梁新民

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 眼前山分公司,遼寧 鞍山 114000)

0 引言

隨著全球礦產(chǎn)資源的消耗量逐漸增加,諸多礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)逐步向深井開(kāi)采邁進(jìn),采深的增加導(dǎo)致礦山作業(yè)環(huán)境日趨惡劣,高地應(yīng)力使得現(xiàn)場(chǎng)采礦作業(yè)危險(xiǎn)程度急劇攀升,高地溫環(huán)境嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)人員身體健康,同時(shí)影響作業(yè)效率,因此如何實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)工序的自動(dòng)化、智能化是深部資源安全高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵核心[1-3]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下采礦自動(dòng)化的研究多聚焦于出礦環(huán)節(jié),鏟運(yùn)機(jī)的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)已漸趨成熟。而關(guān)于鑿巖作業(yè)的智能化程度則相對(duì)較低,國(guó)外廠商Altas Copco 以及Sandvik 等均開(kāi)發(fā)了電腦版鑿巖臺(tái)車(chē),且在Kirna 礦、Malmberget 礦、Stobke 礦以及Olympie Dam 礦等知名礦山均部分開(kāi)始采用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)或相關(guān)機(jī)器人完成鑿巖作業(yè),一名操作人員可以在中控室或視距內(nèi)控制2～3 臺(tái)鑿巖設(shè)備,作業(yè)效率顯著提升[4]。國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)程鑿巖的研究及應(yīng)用相對(duì)較少,正處于從純手動(dòng)階段向半自動(dòng)化、全自動(dòng)化階段躍升的過(guò)程[5]。首鋼杏山鐵礦杏山鐵礦對(duì)1354 中深孔臺(tái)車(chē)進(jìn)行了超視距遙控改裝[4];施升濤[6]在三山島金礦搭建了用于礦山井下鑿巖的5G專(zhuān)網(wǎng),并通過(guò)改造山特維克DD311 電動(dòng)鑿巖臺(tái)車(chē),實(shí)現(xiàn)了鑿巖作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控;杜富瑞[7]等以傳統(tǒng)有人駕駛鑿巖臺(tái)車(chē)為基礎(chǔ),結(jié)合車(chē)輛控制、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、井下鑿巖環(huán)境建模等技術(shù),設(shè)計(jì)了鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控方案;吳昊駿[8]等在總結(jié)我國(guó)鑿巖設(shè)備發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,綜合考慮礦山爆破需求和鑿巖臺(tái)車(chē)能力,提出了全斷面炮孔參數(shù)智能規(guī)劃及雙臂車(chē)體定位的新方法。

綜合來(lái)看,鑿巖臺(tái)車(chē)的自動(dòng)化乃至智能化發(fā)展較為緩慢的主要原因在于:礦體賦存狀態(tài)千差萬(wàn)別導(dǎo)致采礦方法及鑿巖方式的選擇差異性較大,影響了鑿巖設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)[9];井下通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)不健全、網(wǎng)絡(luò)延遲大導(dǎo)致鑿巖設(shè)備遠(yuǎn)程控制及鉆孔自動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)難度大;鑿巖臺(tái)車(chē)臂的實(shí)時(shí)姿態(tài)捕捉困難,進(jìn)而影響了臺(tái)車(chē)裝桿、卸桿的自動(dòng)化等[10]。本文以眼前山鐵礦中深孔鑿巖為例,依靠礦山已部署的作業(yè)區(qū)高速通信網(wǎng)絡(luò),通過(guò)采集臺(tái)車(chē)臂姿態(tài)、優(yōu)化自動(dòng)化控制算法等開(kāi)展中深孔鑿巖作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控應(yīng)用研究,為國(guó)內(nèi)同類(lèi)型鑿巖作業(yè)智能化發(fā)展提供參考及借鑒。

1 礦山基本現(xiàn)狀

眼前山鐵礦2009 年由露天轉(zhuǎn)地下,設(shè)計(jì)規(guī)模800 萬(wàn)t/a,現(xiàn)在采礦方法為無(wú)底柱分段崩落法,階段高度180 m,分段高度18 m,進(jìn)路間距20 m,對(duì)于厚度大于20 m 的礦體采用垂直礦體走向布置的進(jìn)路,厚度小于20 m 礦體采用沿走向布置的進(jìn)路,采礦進(jìn)路尺寸為5 m ×4 m。礦山鑿巖設(shè)備采用Simba1354 中深孔鑿巖臺(tái)車(chē),回采作業(yè)過(guò)程中存在測(cè)量放樣精度低、鑿巖速度慢等問(wèn)題,鉆孔質(zhì)量受操作工理論水平、操作技能以及作業(yè)經(jīng)驗(yàn)等影響較大,臺(tái)車(chē)司機(jī)需要長(zhǎng)期暴露在鉆孔粉塵、鉆進(jìn)噪聲、臺(tái)車(chē)廢氣污染等惡劣的工作環(huán)境中,且存在冒頂和偏幫等安全隱患,交接班效率低。因此,在井下-235 m 水平(圖1)選取了試驗(yàn)區(qū)域,開(kāi)展Simba1354 中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)(圖2)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)及研究。

圖1 -235 m 中段平面圖

圖2 Simba1354 中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)

2 系統(tǒng)改造方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3,其主要由井上及井下網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控操作臺(tái)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)、電氣執(zhí)行系統(tǒng)、車(chē)載控制系統(tǒng)、車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)視頻系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成。

圖3 中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)架構(gòu)

操作人員在地表管控中心,通過(guò)遙控操作平臺(tái),利用網(wǎng)絡(luò)連接井下設(shè)備上的車(chē)載控制系統(tǒng)及云臺(tái)高清變焦攝像頭,監(jiān)控設(shè)備并進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線遙控工作。

鑿巖臺(tái)車(chē)通過(guò)車(chē)載網(wǎng)橋?qū)F(xiàn)場(chǎng)的圖像和車(chē)輛狀態(tài)信息發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)接收并上傳至遙控操作平臺(tái),操作人員通過(guò)上傳的現(xiàn)場(chǎng)圖像和車(chē)輛狀態(tài)信息,發(fā)送控制指令,經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至設(shè)備車(chē)載控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備鑿巖作業(yè)。

2.2 遠(yuǎn)程遙控設(shè)計(jì)

1)中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)電控系統(tǒng)改造

在保留原車(chē)操作方式的前提下,對(duì)設(shè)備電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),見(jiàn)圖4。眼前山鐵礦所使用的Simba1354 中深孔臺(tái)車(chē)本身具備電控,遠(yuǎn)程遙控車(chē)載系統(tǒng)只需與原車(chē)電氣系統(tǒng)對(duì)接,同時(shí)做安全邏輯保護(hù)及建鏈條件判斷,防止司機(jī)誤操作。車(chē)載系統(tǒng)所有通信采用礦山現(xiàn)有電力載波通信技術(shù),通過(guò)與電力貓及車(chē)載基站對(duì)接轉(zhuǎn)為無(wú)線信號(hào)。鑿巖臺(tái)車(chē)上加裝就地及遠(yuǎn)程切換開(kāi)關(guān),改裝后鑿巖臺(tái)車(chē)具有就地及遠(yuǎn)程控制兩種模式,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要可自由切換,既可用于危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控鑿巖作業(yè),又可保留原車(chē)手動(dòng)功能,以在必要時(shí)實(shí)施人工干預(yù)。

圖4 電控改造圖

2)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)

針對(duì)Simba1354 中深孔臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)桌面式遠(yuǎn)程操作平臺(tái)(圖5),遠(yuǎn)程遙控操作平臺(tái)設(shè)計(jì)考慮到工作人員使用的便捷性及高效率,界面整合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面、操作指令狀態(tài)、傳感器單元數(shù)據(jù)反饋、車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障診斷等信息,顯示直觀且操作平臺(tái)畫(huà)面與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息同步(圖6)。主要功能包括:遠(yuǎn)程控制功能、視頻監(jiān)測(cè)功能、臺(tái)車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示功能、自動(dòng)流程設(shè)置功能、報(bào)警信息顯示功能、對(duì)講功能、攝像頭控制功能。操作平臺(tái)端的嵌入式核心控制器內(nèi)部安裝開(kāi)發(fā)的多個(gè)APP 程序,整合視頻及數(shù)字化信息,集中控制及顯示,操作人員脫離現(xiàn)場(chǎng)也可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備信息。

3)車(chē)載控制系統(tǒng)

車(chē)載控制系統(tǒng)是中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控工作的執(zhí)行部件,車(chē)載單元(圖7)通過(guò)信號(hào)收發(fā)模塊接收遠(yuǎn)程遙控操作平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)命令,經(jīng)過(guò)DSP 處理,串口到寄存器編譯,GPIO 輸出高低電平,再利用接口控制單元的中間繼電器執(zhí)行挖掘機(jī)邏輯控制。

圖7 車(chē)載接收單元

4)車(chē)輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面實(shí)時(shí)反饋。利用車(chē)輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集設(shè)備傳感器信號(hào),同時(shí)加裝傾角傳感器監(jiān)測(cè)鑿巖機(jī)推進(jìn)梁的仰俯和旋轉(zhuǎn)角度等,對(duì)臺(tái)車(chē)健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)單元濾波處理優(yōu)化、車(chē)載數(shù)據(jù)的信號(hào)關(guān)聯(lián),可保證信息的準(zhǔn)確性,最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到操作平臺(tái)顯示界面。遙控操作單元能實(shí)時(shí)顯示中深孔臺(tái)車(chē)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及故障,遙控系統(tǒng)通信狀態(tài)、故障原因及維修指導(dǎo),能顯示遙控器實(shí)時(shí)操作狀態(tài)等;系統(tǒng)具備機(jī)車(chē)監(jiān)測(cè)功能,能采集中深孔臺(tái)車(chē)的沖擊壓力、推進(jìn)壓力、旋轉(zhuǎn)壓力、水壓及風(fēng)壓值,監(jiān)測(cè)空壓機(jī)小時(shí)數(shù),監(jiān)測(cè)鑿巖機(jī)小時(shí)數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)的遠(yuǎn)程遙控及實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)視,采用變焦云臺(tái)式攝像頭,安裝位置如圖8所示。視頻系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟件及硬件的編解碼處理,把視頻延時(shí)降低至200 ms 以內(nèi),通信延時(shí)20 ms 以內(nèi),保證操作人員所看到畫(huà)面流暢及清晰度。

圖8 攝像頭安裝位置示意圖

5)安全邏輯設(shè)計(jì)

中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)具有安全工作模式,當(dāng)程序監(jiān)測(cè)到設(shè)備異?；蛲ㄐ女惓５惹闆r下,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入安全模式,停止車(chē)載系統(tǒng)所有輸出信號(hào),既保護(hù)設(shè)備的安全也保證操作人員的人身安全。系統(tǒng)有自檢功能,遠(yuǎn)程遙控操作平臺(tái)及車(chē)載控制系統(tǒng)有內(nèi)部故障記錄和診斷模式,有助于維護(hù)和修理,系統(tǒng)的狀態(tài)信息可實(shí)時(shí)在遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)顯示,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況一目了然。系統(tǒng)防干擾功能,遠(yuǎn)程遙控操作平臺(tái)與車(chē)載控制系統(tǒng)只在配對(duì)情況下使用,避免井下其他射頻信號(hào)做干擾,影響系統(tǒng)的正常執(zhí)行,同時(shí)也是對(duì)安全操作的保護(hù)設(shè)計(jì)。

6)隔離光柵

因遠(yuǎn)程作業(yè),臺(tái)車(chē)作業(yè)時(shí)需要確保作業(yè)區(qū)內(nèi)無(wú)人員闖入造成危險(xiǎn),因此在中深孔臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)區(qū)設(shè)置隔離光柵(圖9),把車(chē)輛作業(yè)的區(qū)域形成一個(gè)隔離區(qū),有人員闖入時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警,同時(shí)報(bào)警會(huì)上傳到平臺(tái)的上位機(jī),遠(yuǎn)程操作人員也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)區(qū)有人員闖入,及時(shí)停止作業(yè),確保人員安全。只有手動(dòng)解除安全光柵報(bào)警才能停止輸出。

圖9 隔離光柵示意圖

3 應(yīng)用效果

1)實(shí)現(xiàn)了中深孔鑿巖作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控

通過(guò)傳感器將現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境、車(chē)輛工作狀態(tài)、鑿巖臂姿態(tài)的主要參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至管控中心,繼而在管控中心建立了基于真實(shí)工作現(xiàn)場(chǎng)的中深孔臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程虛擬化控制環(huán)境。操作人員在地表遠(yuǎn)程遙控操作臺(tái)能看到設(shè)備周?chē)闆r及工作面巖石構(gòu)造,遠(yuǎn)程遙控鑿巖作業(yè)可清晰的看到鑿巖打孔位置,進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控作業(yè)。

2)實(shí)現(xiàn)了鑿巖臺(tái)車(chē)裝卸桿自動(dòng)化

系統(tǒng)基于位移、位置傳感器的采集,建立了鑿巖臂的實(shí)時(shí)姿態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng),以姿態(tài)坐標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)作控制,進(jìn)而反饋到姿態(tài)的變化上,從而形成穩(wěn)定地閉環(huán)系統(tǒng),使裝卸桿流程不再依賴于操作人員,使鑿巖工藝銜接更順暢、人為干預(yù)更少,降低了鑿巖難度,提高了作業(yè)效率。

3)實(shí)現(xiàn)了臺(tái)車(chē)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)維護(hù)

通過(guò)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及整機(jī)故障動(dòng)態(tài)診斷技術(shù),包括對(duì)電動(dòng)機(jī)和液壓等系統(tǒng)的工作參數(shù)的全面采集和監(jiān)測(cè),同時(shí)針對(duì)所采集到的信息進(jìn)行分析,得出鑿巖臺(tái)車(chē)的使用情況,制定設(shè)備的預(yù)維護(hù)及保養(yǎng)計(jì)劃,并對(duì)設(shè)備故障信息進(jìn)行存儲(chǔ)、提示和應(yīng)急處理,縮減故障判斷時(shí)間,減少故障引發(fā)的損失。

4 結(jié)論

本文以眼前山鐵礦-235 m 水平為試驗(yàn)區(qū),對(duì)礦山在用Simba1354 中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控改造,主要結(jié)論如下:

1)通過(guò)鑿巖臺(tái)車(chē)工作系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)及作業(yè)環(huán)境視頻信號(hào)的采集與實(shí)時(shí)傳輸技術(shù),結(jié)合中深孔臺(tái)車(chē)工作流程中復(fù)合工藝的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和機(jī)載控制系統(tǒng)的協(xié)同工作技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)、自動(dòng)化裝卸桿以及臺(tái)車(chē)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)維護(hù)等。

2)中深孔鑿巖臺(tái)車(chē)遠(yuǎn)程遙控操作的實(shí)現(xiàn),大大推動(dòng)了礦山中深孔鑿巖工序的少人化、無(wú)人化開(kāi)采,使一線人員脫離現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境,從本質(zhì)上解決了設(shè)備與人員的安全問(wèn)題,對(duì)降低事故發(fā)生率、提高礦山的管理水平意義重大。

3)深部資源開(kāi)發(fā)對(duì)采礦作業(yè)的自動(dòng)化、無(wú)人化要求更高,加大鑿巖、裝藥、爆破、出礦環(huán)節(jié)裝備的智能化研發(fā)是打通智能礦山建設(shè)的關(guān)鍵所在,也是保障深部資源開(kāi)發(fā)利用的重要手段。