眼前山鐵礦中深孔鑿巖臺車遠程遙控系統應用研究

張海勝 ,張寶金 ,翟建波 ,遲 強 ,陳小偉 ,劉育明 ,梁新民

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.鞍鋼集團礦業有限公司 眼前山分公司,遼寧 鞍山 114000)

0 引言

隨著全球礦產資源的消耗量逐漸增加,諸多礦產資源開發逐步向深井開采邁進,采深的增加導致礦山作業環境日趨惡劣,高地應力使得現場采礦作業危險程度急劇攀升,高地溫環境嚴重威脅現場人員身體健康,同時影響作業效率,因此如何實現采礦作業工序的自動化、智能化是深部資源安全高效開發的關鍵核心[1-3]。

當前國內外關于地下采礦自動化的研究多聚焦于出礦環節,鏟運機的遠程遙控作業已漸趨成熟。而關于鑿巖作業的智能化程度則相對較低,國外廠商Altas Copco 以及Sandvik 等均開發了電腦版鑿巖臺車,且在Kirna 礦、Malmberget 礦、Stobke 礦以及Olympie Dam 礦等知名礦山均部分開始采用遠程遙控技術或相關機器人完成鑿巖作業,一名操作人員可以在中控室或視距內控制2～3 臺鑿巖設備,作業效率顯著提升[4]。國內遠程鑿巖的研究及應用相對較少,正處于從純手動階段向半自動化、全自動化階段躍升的過程[5]。首鋼杏山鐵礦杏山鐵礦對1354 中深孔臺車進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專網,并通過改造山特維克DD311 電動鑿巖臺車,實現了鑿巖作業的遠程遙控;杜富瑞[7]等以傳統有人駕駛鑿巖臺車為基礎,結合車輛控制、數據傳輸網絡、井下鑿巖環境建模等技術,設計了鑿巖臺車遠程遙控方案;吳昊駿[8]等在總結我國鑿巖設備發展歷程的基礎上,綜合考慮礦山爆破需求和鑿巖臺車能力,提出了全斷面炮孔參數智能規劃及雙臂車體定位的新方法。

綜合來看,鑿巖臺車的自動化乃至智能化發展較為緩慢的主要原因在于:礦體賦存狀態千差萬別導致采礦方法及鑿巖方式的選擇差異性較大,影響了鑿巖設備的標準化研發[9];井下通信網絡布設不健全、網絡延遲大導致鑿巖設備遠程控制及鉆孔自動定位實現難度大;鑿巖臺車臂的實時姿態捕捉困難,進而影響了臺車裝桿、卸桿的自動化等[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區高速通信網絡,通過采集臺車臂姿態、優化自動化控制算法等開展中深孔鑿巖作業的遠程遙控應用研究,為國內同類型鑿巖作業智能化發展提供參考及借鑒。

1 礦山基本現狀

眼前山鐵礦2009 年由露天轉地下,設計規模800 萬t/a,現在采礦方法為無底柱分段崩落法,階段高度180 m,分段高度18 m,進路間距20 m,對于厚度大于20 m 的礦體采用垂直礦體走向布置的進路,厚度小于20 m 礦體采用沿走向布置的進路,采礦進路尺寸為5 m ×4 m。礦山鑿巖設備采用Simba1354 中深孔鑿巖臺車,回采作業過程中存在測量放樣精度低、鑿巖速度慢等問題,鉆孔質量受操作工理論水平、操作技能以及作業經驗等影響較大,臺車司機需要長期暴露在鉆孔粉塵、鉆進噪聲、臺車廢氣污染等惡劣的工作環境中,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)選取了試驗區域,開展Simba1354 中深孔鑿巖臺車(圖2)遠程控制試驗及研究。

圖1 -235 m 中段平面圖

圖2 Simba1354 中深孔鑿巖臺車

2 系統改造方案

2.1 系統架構

中深孔鑿巖臺車遠程遙控系統架構見圖3,其主要由井上及井下網絡通信系統、遠程遙控操作臺、液壓執行系統、電氣執行系統、車載控制系統、車載監測系統、實時視頻系統、定位系統等組成。

圖3 中深孔鑿巖臺車遠程遙控系統架構

操作人員在地表管控中心,通過遙控操作平臺,利用網絡連接井下設備上的車載控制系統及云臺高清變焦攝像頭,監控設備并進行遠程無線遙控工作。

鑿巖臺車通過車載網橋將現場的圖像和車輛狀態信息發送給現場網絡接收并上傳至遙控操作平臺,操作人員通過上傳的現場圖像和車輛狀態信息,發送控制指令,經網絡傳送至設備車載控制系統,實現設備鑿巖作業。

2.2 遠程遙控設計

1)中深孔鑿巖臺車電控系統改造

在保留原車操作方式的前提下,對設備電氣系統進行改造設計,見圖4。眼前山鐵礦所使用的Simba1354 中深孔臺車本身具備電控,遠程遙控車載系統只需與原車電氣系統對接,同時做安全邏輯保護及建鏈條件判斷,防止司機誤操作。車載系統所有通信采用礦山現有電力載波通信技術,通過與電力貓及車載基站對接轉為無線信號。鑿巖臺車上加裝就地及遠程切換開關,改裝后鑿巖臺車具有就地及遠程控制兩種模式,根據現場需要可自由切換,既可用于危險區域進行遠程遙控鑿巖作業,又可保留原車手動功能,以在必要時實施人工干預。

圖4 電控改造圖

2)遠程操作平臺

針對Simba1354 中深孔臺車設計開發桌面式遠程操作平臺(圖5),遠程遙控操作平臺設計考慮到工作人員使用的便捷性及高效率,界面整合現場實時視頻畫面、操作指令狀態、傳感器單元數據反饋、車輛運行狀態顯示、故障診斷等信息,顯示直觀且操作平臺畫面與現場數據信息同步(圖6)。主要功能包括:遠程控制功能、視頻監測功能、臺車狀態監測顯示功能、自動流程設置功能、報警信息顯示功能、對講功能、攝像頭控制功能。操作平臺端的嵌入式核心控制器內部安裝開發的多個APP 程序,整合視頻及數字化信息,集中控制及顯示,操作人員脫離現場也可以實時掌握設備信息。

3)車載控制系統

車載控制系統是中深孔鑿巖臺車實現遠程遙控工作的執行部件,車載單元(圖7)通過信號收發模塊接收遠程遙控操作平臺發送的數據命令,經過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行挖掘機邏輯控制。

圖7 車載接收單元

4)車輛監測系統及視頻系統

實現中深孔鑿巖臺車工作狀態實時監測、現場視頻畫面實時反饋。利用車輛監測系統采集設備傳感器信號,同時加裝傾角傳感器監測鑿巖機推進梁的仰俯和旋轉角度等,對臺車健康狀態進行實時檢測。數據經過監測單元濾波處理優化、車載數據的信號關聯,可保證信息的準確性,最終通過網絡上傳到操作平臺顯示界面。遙控操作單元能實時顯示中深孔臺車當前運行狀態及故障,遙控系統通信狀態、故障原因及維修指導,能顯示遙控器實時操作狀態等;系統具備機車監測功能,能采集中深孔臺車的沖擊壓力、推進壓力、旋轉壓力、水壓及風壓值,監測空壓機小時數,監測鑿巖機小時數。

為了實現中深孔鑿巖臺車的遠程遙控及實時的視頻監視,采用變焦云臺式攝像頭,安裝位置如圖8所示。視頻系統經過軟件及硬件的編解碼處理,把視頻延時降低至200 ms 以內,通信延時20 ms 以內,保證操作人員所看到畫面流暢及清晰度。

圖8 攝像頭安裝位置示意圖

5)安全邏輯設計

中深孔鑿巖臺車遠程遙控系統具有安全工作模式,當程序監測到設備異?；蛲ㄐ女惓５惹闆r下,系統會自動進入安全模式,停止車載系統所有輸出信號,既保護設備的安全也保證操作人員的人身安全。系統有自檢功能,遠程遙控操作平臺及車載控制系統有內部故障記錄和診斷模式,有助于維護和修理,系統的狀態信息可實時在遠程遙控平臺顯示,現場設備情況一目了然。系統防干擾功能,遠程遙控操作平臺與車載控制系統只在配對情況下使用,避免井下其他射頻信號做干擾,影響系統的正常執行,同時也是對安全操作的保護設計。

6)隔離光柵

因遠程作業,臺車作業時需要確保作業區內無人員闖入造成危險,因此在中深孔臺車遠程遙控作業區設置隔離光柵(圖9),把車輛作業的區域形成一個隔離區,有人員闖入時會發出聲光報警,同時報警會上傳到平臺的上位機,遠程操作人員也可以及時發現作業區有人員闖入,及時停止作業,確保人員安全。只有手動解除安全光柵報警才能停止輸出。

圖9 隔離光柵示意圖

3 應用效果

1)實現了中深孔鑿巖作業的遠程遙控

通過傳感器將現場工作環境、車輛工作狀態、鑿巖臂姿態的主要參數實時傳送至管控中心,繼而在管控中心建立了基于真實工作現場的中深孔臺車遠程虛擬化控制環境。操作人員在地表遠程遙控操作臺能看到設備周圍情況及工作面巖石構造,遠程遙控鑿巖作業可清晰的看到鑿巖打孔位置,進行遠程遙控作業。

2)實現了鑿巖臺車裝卸桿自動化

系統基于位移、位置傳感器的采集,建立了鑿巖臂的實時姿態坐標系統,以姿態坐標為基礎進行動作控制,進而反饋到姿態的變化上,從而形成穩定地閉環系統,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、人為干預更少,降低了鑿巖難度,提高了作業效率。

3)實現了臺車狀態實時監測及預維護

通過狀態實時監測及整機故障動態診斷技術,包括對電動機和液壓等系統的工作參數的全面采集和監測,同時針對所采集到的信息進行分析,得出鑿巖臺車的使用情況,制定設備的預維護及保養計劃,并對設備故障信息進行存儲、提示和應急處理,縮減故障判斷時間,減少故障引發的損失。

4 結論

本文以眼前山鐵礦-235 m 水平為試驗區,對礦山在用Simba1354 中深孔鑿巖臺車進行了遠程遙控改造,主要結論如下:

1)通過鑿巖臺車工作系統狀態信號及作業環境視頻信號的采集與實時傳輸技術,結合中深孔臺車工作流程中復合工藝的遠程控制系統和機載控制系統的協同工作技術,可以實現中深孔鑿巖臺車的遠程遙控作業、自動化裝卸桿以及臺車狀態實時監測及預維護等。

2)中深孔鑿巖臺車遠程遙控操作的實現,大大推動了礦山中深孔鑿巖工序的少人化、無人化開采,使一線人員脫離現場工作環境,從本質上解決了設備與人員的安全問題,對降低事故發生率、提高礦山的管理水平意義重大。

3)深部資源開發對采礦作業的自動化、無人化要求更高,加大鑿巖、裝藥、爆破、出礦環節裝備的智能化研發是打通智能礦山建設的關鍵所在,也是保障深部資源開發利用的重要手段。