基于PLC 控制的礦山無人智能運礦機器人的設計

贠二偉 ,郭 青 ,韓登甲 ,張文鵬 ,金萬鵬 ,李小雙

(1.金川集團股份有限公司如瓦西礦業(yè)公司穆松尼項目部剛果(金);2.金川集團股份有限公司三礦區(qū),甘肅金昌 737100;3.金川集團股份有限公司建設工程分公司,甘肅金昌 737100)

0 引言

金川礦山36 行措施井主要承擔著F17 以西井下1 400 礦石的提升任務,礦石提升至地表后需人工推礦車至機械翻籠處,翻至地表堆場,礦卡車拉運至地表破碎,破碎機破碎后由平硐拉運到選礦廠進行下一步處理;地表推、翻礦車需要人工操作,人員勞動強度大,同時隨著礦山智能化水平發(fā)展,智能化設備在礦山中起到十分重要的作用;現(xiàn)如今的人員操作早已滿足不了現(xiàn)代化礦山的建設需求,為此,本文設計了一種基于PLC 控制的礦山智能化運礦機器人的操作系統(tǒng),該系統(tǒng)操作簡單,動作可靠,提高了礦山提升系統(tǒng)運礦效率。

1 設計方案

智能運礦系統(tǒng)主要由操作臺、工控機、PLC 控制系統(tǒng)、交換機、無線基站、智能小車、定位點、阻車器、道岔及各類保護等設備構成。

在翻車機旁絞車房建設控制中心,配置操作臺、工控機、交換機等設備。實時顯示智能推拉小車、礦車阻車器、道岔等設備的工作狀態(tài)。操作臺主要用于系統(tǒng)模式選擇、工況選擇等系統(tǒng)操作。

系統(tǒng)采用基于WIFI6 組網的TCP 網絡通訊。在1#翻車機處及罐籠進車側附近各設立一臺全向AP 組網,1#翻車機處AP 直接與集控臺網線連接。兩臺智能推拉小車上各安裝一臺客戶端,通過無線網絡與集控臺實時通訊。

新采購兩臺智能推拉小車,可遙控或自動控制實現(xiàn)推拉小車的啟動、調速、制動、摘掛鉤等功能。智能推拉小車前后端均安裝有攝像儀、超聲波傳感器和紅外傳感器,用于在車輛運行時進行環(huán)境監(jiān)測及安全防護。

對現(xiàn)有翻車道去往井口進車側方向單開道岔和新增智能推拉小車2 停車區(qū)單開道岔進行改造,同時在1#翻車機前設置2 臺礦車阻車器實現(xiàn)復式阻車器功能,道岔和阻車器采用油缸推拉道岔連桿。

采用工業(yè)級超高頻RFID 智能識別系統(tǒng)實現(xiàn)智能推拉小車的精確停車定位。超高頻識別器安裝于電機車底部,地下預埋識別卡,垂直有效檢測距離大于80 mm,滿足快速移動精準識別要求。

在1#、2#翻車機及罐籠空車進車側各設置一臺分控箱,分控箱與集控臺保持實時通訊。翻車機分控箱主要用于翻車信號的提示。如當電機車將礦車拉到翻車機內定位點,分控箱顯示可翻車信號;當翻車完畢后,人工給集控臺發(fā)出翻車完畢信號。罐籠進車側分控箱主要用于推車信號提示,如推拉小車將空礦車推至候車電機車岔路后方時,把鉤工根據(jù)現(xiàn)場情況通過分控箱給推拉小車可以推車的信號,人工摘鉤后又通過分控箱給推拉小車可以返回的信號。

根據(jù)現(xiàn)場工礦情況及人員操作流程,配備3 種操作模式,檢修、手動、智能模式,達到操作流程便捷化。為保證避免閑雜人員隨意進入地表車場內,影響作業(yè),延誤生產,帶來安全隱患,在車場入口處增設了門禁系統(tǒng)。為了更加直觀的觀察各個設備作業(yè)中的運行狀態(tài),設計5 臺高清網絡攝像頭對關鍵崗位和位置進行監(jiān)控,網絡與控制系統(tǒng)WIFI6 的無線環(huán)網共用。

圖1 智能運礦系統(tǒng)設計結構

1.1 地表車場系統(tǒng)

地表車場系統(tǒng)是基于三礦區(qū)36 行措施井地表轉運礦石現(xiàn)場環(huán)境所設計的智能推車項目,系統(tǒng)通過智能推拉小車、電動道岔等自動化、智能化設備,采用RFID 智能定位技術、無線通訊技術、自動控制技術,并輔以視頻監(jiān)控系統(tǒng)及門禁系統(tǒng),實現(xiàn)車場礦車的智能推拉。

1)推拉小車的遙控及按設定工作流程自動運行。

2)手動/自動控制執(zhí)行設備完成道岔位置轉換及狀態(tài)的檢測。

3)手動/自動控制礦車阻車器的打開與關閉及狀態(tài)的檢測。

4)推拉小車與礦車的自動摘掛鉤及掛鉤狀態(tài)檢測。

5)遙控或自動實現(xiàn)推拉小車的啟動、制動、摘掛鉤等功能。

6)單推拉小車、帶空車、帶重車調試剎車距離,保證停車位置。

7)液壓系統(tǒng)電氣線路走線及電磁換向閥的控制。

8)利用紅外傳感技術檢測阻車器前是否有礦車在位。

9)推拉小車底部超高頻識別器能夠快速移動精準識別定位。

10)推拉小車執(zhí)行抓車任務時,當推拉小車與礦車距離小于2 m 時,推拉小車自動減速。

11)放礦點分控箱與集控臺能夠實時通訊,當?shù)V車拉到放礦定位點,分控箱能夠顯示放礦信號,放礦結束后通過按鈕反饋,推拉小車能夠自動運行將重車送到指定位置。

12)推拉小車運行時聲光報警、前方人員或異物識別自動剎車、停車,檢測精度小于10 mm,檢測距離0～6 m。

13)彎道識別并自動減速。

14)推拉小車過壓欠壓保護、過流保護、電量顯示及電量報警。

15)視頻監(jiān)控及門禁系統(tǒng)。

16)翻籠狀態(tài)監(jiān)測及信號提醒。

1.2 集控臺

集控臺集成了控制柜,為該系統(tǒng)的控制核心。柜內控制PLC 采用西門子S7-smart ST30,可以實現(xiàn)8 站點組網,為日后設備升級增設站點做出了冗余配置。操作臺主要用于系統(tǒng)模式選擇、工況選擇等系統(tǒng)操作。

工控機配置正版組態(tài)王監(jiān)控軟件,實時設備控制和運行狀態(tài)監(jiān)控;工控機選用STEP 7-Micro/WIN SMART 正版編程軟件,方便現(xiàn)場調試,及日后的運行維護。

1.3 系統(tǒng)網絡

系統(tǒng)采用基于WIFI6 組網的TCP 網絡通訊。WIFI6 是最新的一種WIFI 標準,支持2.4 G 和5 G頻段,擁有更快的傳輸速率,可靠實時的視頻和數(shù)據(jù)傳輸。在電機車上安裝了工業(yè)級客戶端,支持集控臺對電機車的遠程訪問通訊,在巷道墻壁或支架上安裝工業(yè)級AP WIFI6,以提供最大的覆蓋范圍,最大程度提升射頻性能,減少礦井內堅硬石墻帶來的信號干擾;可在振動、潮濕、極端的溫度下正常運行。

電機車車載客戶端通過無線訪問網絡,將其數(shù)據(jù)和視頻實時傳輸?shù)郊嘏_,保證電機車移動時保持無縫連接。

1.4 定位點

定位系統(tǒng)采用工業(yè)級超高頻RFID 智能識別系統(tǒng)。超高頻識別器安裝于電機車底部,地下預埋識別卡(固定在橡皮墩內部),垂直有效檢測距離大于80 mm,滿足快速移動精準識別要求。該系統(tǒng)具有識別速度快、準確率高、組網方便等特點。包括讀卡器和RFID 卡,讀卡器設置合適的檢測距離,防護等級IP67。

1.5 智能小車

1.5.1 組成

智能小車主要包括4 大控制系統(tǒng),調速系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、摘掛鉤系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng);

1)調速系統(tǒng)主要是變頻調速,人工操作時,操作調速手柄進行無級調速,遙控或自動駕駛時,由PLC 控制變頻器調速。

2)制動系統(tǒng)正常運行時,電機車采用變頻制動輔助機械制動(碟剎)。系統(tǒng)設置減速點、停車點,根據(jù)單電機車、帶空車、帶重車調試剎車距離,保證停車位置。當電機車行駛遇緊急情況時,由PLC 控制箱發(fā)出制動指令,在變頻制動的同時,執(zhí)行機構推動剎車機構制動,使閘瓦抱死制動輪。

3)摘掛鉤系統(tǒng)采用電動推桿驅動抓車爪機構,完成掛鉤與摘鉤操作。

1.5.2 工作原理

1)抓車(掛鉤):在抓爪前部重力及電動推桿的作用下,抓車爪正常一直準確停留在抓車狀態(tài)位置,當電機車與礦車發(fā)生輕微碰撞時(在抓車前,電機車已在PLC 控制下提前減速),抓車爪前部的楔形機構可使抓爪向上旋轉,旋轉至超過礦車上的固定盒后,在重力的作用下,抓車自動下落卡住固定盒。

2)解脫(摘鉤):在需要摘鉤時,PLC 控制箱發(fā)出控制指令,電動推桿推動抓車爪向上旋轉,使其脫離固定盒。

3)掛鉤狀態(tài)監(jiān)測:為防止誤動作,確保掛鉤處于抓車或脫鉤狀態(tài),本方案配置掛鉤狀態(tài)監(jiān)測裝置。在電機車前后端分別設立高精度激光測距傳感器,監(jiān)測電機車與礦車的距離。在抓車后,電機車與礦車的距離應在一定范圍內,如電機車在拉車時,傳感器監(jiān)測到電機車與礦車之間的距離大于設定值,便判斷出礦車與電機車分離,未能有效抓車。在此狀態(tài)下,電機車可再次前移抓車。

4)安全防護:智能電機車裝有聲光警示燈,在運行時發(fā)出聲光警示。為防止電機車在自動運行時,前方突然發(fā)現(xiàn)障礙物或人員闖入行駛區(qū)域,電機車上前后兩個方向均設超聲波傳感器、紅外傳感器及可識別人形的攝像儀。前方人員或異物識別自動剎車、停車,檢測距離0～6 m。超聲波傳感器用于監(jiān)測機車前方出現(xiàn)障礙物的位置,紅外傳感器用于監(jiān)測人員,攝像儀用于人形識別及軌道異物視頻監(jiān)控。

1.6 阻車器及道岔

設計兩個道岔、兩個阻車器;阻車器為阻輪式,有一對阻爪和彈簧緩沖裝置,當車輪撞擊阻爪時,阻爪使套在固定軸后面的彈簧壓縮,撞擊的能量便被彈簧吸收;阻爪的尾部通過連桿和操縱機構連接,液壓缸活驅動使兩個阻爪同時打開或關閉,關閉時阻車,打開后通車;道岔通過液壓油缸驅動進行變換方位;并分別設置各自對應分控箱,用于人工手動操作。

1.7 電池、充電器

智能機車電池選用礦用磷酸鋰離子蓄電池(考慮取下充電方便),電池采用有線充電,電池采用一用一備。電池容量412 AH,額定電壓52.1 V,充電時間4～8 h,最大充電電壓58.4 V,最大充電電流100 AH,滿足每班240 車滿負荷生產。

1.8 視頻監(jiān)控

在集控臺配備現(xiàn)場各方位視頻監(jiān)控,同時匯集無人駕駛電機車自帶攝像頭,更加清晰監(jiān)測設備運行狀態(tài),網絡與控制系統(tǒng)WIFI6 的無線環(huán)網共用,包括攝像頭和硬盤記錄機。

2 控制模式

系統(tǒng)設置手持遙控器,可通過遙控器或者集控臺實現(xiàn)系統(tǒng)設備的控制和控制模式的選擇。智能運礦系統(tǒng)分為檢修、手動及智能三種控制模式。

2.1 檢修模式

檢修模式下,為安全考慮設備不能工作。檢修模式主要是為職工對設備進行檢查檢修所設計的一種方式,檢修模式下對設備無法進行操作,相當于處于停機斷電狀態(tài)。

2.2 手動模式

此模式下,智能推拉小車前進、后退、道岔、阻車器等為人為點動操作,可通過遙控器及各設備控制分控箱,進行操作,手動之前必須將狀態(tài)模式打至手動。但前部超聲波傳感器、定位停車點及相應閉鎖、聯(lián)動等投入使用,可以實現(xiàn)規(guī)避行人、抓車自動減速、抓住后自動加速;操車設備(阻車器及道岔)均為點動狀態(tài),即按下控制開關動作,松開停止。

2.3 智能模式

智能模式下,根據(jù)設置好的工況,智能推拉小車自動運行。針對地表車場的工況,系統(tǒng)設置兩種工況模式:1#翻車機工作模式、2#翻車機工作模式。在自動模式下需要設定工況模式,在系統(tǒng)運行過程中也可以更改工況模式。工況模式可以通過集控臺或者手持遙控器設置和更改。

2#翻車機工作模式作業(yè)流程:重礦車自溜到2#翻車機前通過阻車器阻停,工作人員通過長按遙控器“啟動”按鈕啟動系統(tǒng),地面操車依次自動復位,復阻,道岔1 右,單阻,2#小車抓手抓車,智能推拉小車檢測到重車后,從兩個翻籠間停車點自動運行,慢速前進,激光傳感器檢測到抓住重礦車或者小車行進至1 號定位點后,復阻打開,小車拉重車低速后退,過翻籠至3 號停車點停下,此時重車剛好位于2#翻籠軌道凹槽中,脫鉤,后退至4 號停車點,抓手復位2#翻籠測控制箱指示燈亮起,提示操作人員翻車,操作工翻車后,點擊控制箱“翻籠完成”按鈕,“允許翻籠”指示燈滅,小車慢速前進抓車經3 號點,抓車后退,

經4 號點加速,2 號點減速過翻籠,然后過7 號點加速拉車后退,過倒岔1 后經8 號點,停車抓手松開,變換1 號道岔,小車推空車前進至5 號點減速,10 號點停下加速后退,經8 號點變換道岔,快速前進,過7 號點慢速過翻籠,然后2 號點加速,至4 號點停下,等待重車來車。拉車過程中若脫鉤,小車會自動檢測,并補抓,完成后繼續(xù)相應流程。按以上流程循環(huán)至第八輛礦車,變換道岔1 左,智能推拉小車由拉車轉推車時,道岔2 自動打到左側,單阻打開,智能推拉小車將重車快速推過道岔2,經9 號停車點延時10 s,或者經12 號停車點后,2#小車后退,回至兩翻籠等待區(qū),進入下一次八車推拉流程。2 號小車后退過2 號道岔11 號點后道岔2 變換位置,1號小車從停車區(qū)慢速后退,經11 號點后變換2 號道岔,小車前進將8 輛礦車推至井口,經15 或者16 號點返回至停車區(qū),等待下一循環(huán)。(過程點位參考圖2 地表車場布置圖)

圖2 地表車場布置圖

圖3 無線網絡通訊圖

3 結語

數(shù)字化礦山建設針對安全高效的現(xiàn)代化礦井建設的需求,建設智能化礦山的需要,研究了金川礦山36 行無人駕駛智能運礦機器人系統(tǒng)設計,包括安全生產、自動化減人、標準化工區(qū)建設等設計需求;此次系統(tǒng)設計取得良好效果,對于數(shù)字化礦山建設打好關鍵基礎;設備自投入使用后得到很大方面改進,系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,達到減人增效的目的和效果,實現(xiàn)標準化建設,更安全、經濟、可靠運行。智能化無人駕駛系統(tǒng)解決了人員勞動強度,降低安全生產風險,提高生產效率。