鏟運機智能控制系統(tǒng)研究

沈 波，劉 旭，姜中曄

（1.新疆喀拉通克礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 富蘊 836107；2.礦冶科技集團有限公司；3.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室；4.北礦智能科技有限公司，北京 100160）

當(dāng)前，礦山井下電動鏟運機大多采用手動操作方式，鏟運機駕駛?cè)藛T長期處于惡劣的井下作業(yè)環(huán)境，具有一定的安全風(fēng)險，不利于礦山企業(yè)安全防控工作的開展；礦山井下采場的作業(yè)面爆破后，炮煙等有毒有害氣體無法快速消散，導(dǎo)致有效生產(chǎn)時間較少，不利于礦山企業(yè)生產(chǎn)效率的提高；井下鏟裝作業(yè)缺乏準(zhǔn)確的計量和統(tǒng)計分析手段，不利于礦山企業(yè)的綜合管控；井下鏟裝運作業(yè)缺乏有效的調(diào)度手段，不利于礦山井下鏟運機、破碎錘、卡車等多裝備的協(xié)同作業(yè)。為提高電動鏟運機生產(chǎn)效率，降低鏟運作業(yè)的勞動強度與安全風(fēng)險，減少職業(yè)病對駕駛員的影響，礦山急需開展鏟運作業(yè)的智能化研究。根據(jù)《中國制造2025》要求，隨著5G 通信網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，將無人駕駛技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到鏟運機智能化控制上已成為現(xiàn)實[1]。本文設(shè)計一套適用于地下金屬礦山的智能鏟運機系統(tǒng)，并對其中關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 鏟運機智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

鏟運機智能控制系統(tǒng)由高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、智能控制平臺、智能配礦系統(tǒng)和安全避障機制八個部分組成，可為金屬礦山企業(yè)構(gòu)建地下智能化鏟裝運作業(yè)體系提供參考。其中，井下鏟運機智能化改造包括安裝通信模組、視頻監(jiān)控模組、重量感知模組、狀態(tài)監(jiān)測模組和安全避障模組，地表控制平臺集成控制、配礦、狀態(tài)分析等模塊[2]。智能鏟運機車體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能鏟運機車體架構(gòu)

2 系統(tǒng)組成分析

2.1 高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

由于礦山生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，故而鏟運機智能控制系統(tǒng)需要可靠、穩(wěn)定、迅捷的傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此將5G 網(wǎng)絡(luò)+萬兆光纖環(huán)網(wǎng)相結(jié)合，作為鏟運機智能控制系統(tǒng)的通信手段。在鏟運機高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)過程中，首先在井下鏟運機行駛路線增加5G 發(fā)射基站，使鏟運機行駛路線實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，其次在車體上增加5G 信號接收器，使之能夠與礦井5G 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。地面集控中心與鏟運機可編程邏輯控制器（PLC）終端之間設(shè)立通信檢測機制，實時監(jiān)測設(shè)備間的通信狀態(tài)，出現(xiàn)異常時，設(shè)備動作機構(gòu)自鎖并提示監(jiān)控人員處理異常狀況。

為保證井下通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)中采用鏈路聚合技術(shù)，增加礦山網(wǎng)絡(luò)線路的冗余功能。同時，高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用相互獨立的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而解決鏟運機智能控制系統(tǒng)控制信號與監(jiān)控信號在傳輸過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)延遲、圖像卡頓等問題。鏟運機智能控制系統(tǒng)高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量

2.2 自動控制系統(tǒng)

鏟運機智能控制系統(tǒng)具備三級控制模式，即自動駕駛模式、遠(yuǎn)程遙控模式和人工駕駛模式。鏟運機智能控制系統(tǒng)通過控制邏輯關(guān)系實現(xiàn)自動駕駛、遠(yuǎn)程遙控駕駛與現(xiàn)場駕駛的切換。其中，人工駕駛模式優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程遙控模式及自動駕駛模式，保證控制系統(tǒng)異常時井下安全巡檢人員可以及時接管車輛，排查臺車的異常狀況。

一是電氣控制改造。對鏟運機進行電氣系統(tǒng)改造，從而實現(xiàn)鏟運機的基本作業(yè)控制，如柴油機啟動停機預(yù)熱、車輛照明、鳴笛、鏟斗舉升翻轉(zhuǎn)。利用機載工控機實現(xiàn)裝備作業(yè)信息與指揮中心的實時交互以及裝備的自動化控制。同時，將PLC 作為現(xiàn)場設(shè)備信息采集與控制核心，利用PLC 實現(xiàn)鏟運機執(zhí)行元器件控制，如停送電、行車、鏟裝、卸載、儀表采集、電機控制等[3]。二是液壓控制改造。對鏟運機液壓系統(tǒng)進行改造，利用電液控制閥等使鏟運機的液壓系統(tǒng)符合PLC 控制邏輯，最終實現(xiàn)對行車、大臂升降、鏟斗翻轉(zhuǎn)等的控制[4]。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在鏟運機首尾增設(shè)全景網(wǎng)絡(luò)高清智能球機，從而實現(xiàn)鏟裝作業(yè)過程實時監(jiān)控，包括鏟裝作業(yè)范圍內(nèi)區(qū)域入侵、越界、進入?yún)^(qū)域、離開區(qū)域等行為的檢測，從而解決鏟運機無人作業(yè)過程中存在的安全管控問題。操作人員通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可實現(xiàn)鏟運機遠(yuǎn)程可視化遙控作業(yè)。

2.4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

在鏟運機上加裝液壓、液位、溫度、電壓、電流、轉(zhuǎn)速、速度等傳感器，實時采集鏟運機時速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水位、潤滑油油溫等信息，實現(xiàn)液壓舉升系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的實時狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計，同時，將采集的數(shù)據(jù)融入企業(yè)數(shù)據(jù)庫中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，深入挖掘數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)鏟運機歷史數(shù)據(jù)趨勢展示、故障診斷、預(yù)維護，進而實現(xiàn)鏟運機的全生命周期管理。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)鏟運機備品備件、報廢等的超前管理，進而降低企業(yè)生產(chǎn)運營成本，簡化企業(yè)生產(chǎn)運營管理程序。

2.5 計量系統(tǒng)

在鏟運機車斗上安裝質(zhì)量傳感器，通過車斗內(nèi)載物質(zhì)量的變化實現(xiàn)礦石裝載量的計量。計量系統(tǒng)能夠?qū)⒚慷返V石與采場、溜井、操作人員相掛鉤，一次稱重便可分別針對鏟運機、操作員、采場和溜井進行考核。計量系統(tǒng)功能如表2 所示。

表2 計量系統(tǒng)功能

2.6 智能控制平臺

如圖2 所示，智能控制平臺由遙控座椅、液晶顯示屏和視頻處理系統(tǒng)等組成。遙控座椅采用一體式設(shè)計，座椅和操作扶手集成在一起，座椅的左右扶手各設(shè)置了一個操作手柄和多個操作按鈕，實現(xiàn)車輛的各種操控動作。液晶顯示屏可以顯示車輛前后的視頻影像，配對的高清攝像頭能清晰地呈現(xiàn)鏟運機前后方的圖像，方便操作人員觀察裝載機周圍的情況，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控[5]。

圖2 鏟運機智能控制平臺

2.7 智能配礦系統(tǒng)

在鏟運機智能控制平臺上集成智能配礦系統(tǒng)。智能配礦系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場的實際要求自動調(diào)整卡車和鏟運機配比，也可以對已指派車輛的調(diào)度目標(biāo)進行實時更改，以適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)情況的突變。在調(diào)度指揮過程中，若車輛故障、道路變化等因素導(dǎo)致部分環(huán)節(jié)執(zhí)行遲滯或中斷時，系統(tǒng)能夠自動做出動態(tài)調(diào)整。

2.8 安全避障機制

在鏟運機周身安裝測距雷達，該雷達用于鏟運機周圍環(huán)境信息的探測，當(dāng)測距雷達監(jiān)測到障礙物或者誤入作業(yè)區(qū)人員時，向地面操作人員報警。當(dāng)鏟運機與障礙物的距離超過設(shè)定的安全界限閾值后，鏟運機自動控制系統(tǒng)實行緊急制動，并提示操作人員處理異常狀況。

3 結(jié)論

本文提出一種基于綠色智能礦山生產(chǎn)體系的鏟運機智能控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能（AI）識別、5G 網(wǎng)絡(luò)、無人駕駛等先進技術(shù)實現(xiàn)井下鏟運機鏟運作業(yè)的智能化管控。經(jīng)工業(yè)試驗驗證，鏟運機智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人駕駛、視頻監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)測、自動計量、智能配礦和安全避障等功能，為礦山安全生產(chǎn)的綠色化、智能化發(fā)展提供技術(shù)支持，對保障礦山生產(chǎn)安全起到重要支撐作用。