基于無線通信技術的1354鑿巖臺車遠程遙控技術研究

劉　旭，金　楓，呂　瀟,張元生

(1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102628；2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室，北京 102628；3.金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

隨著地上礦產資源的減少，礦產開采由露天逐漸轉移到地下，鑿巖作業是井下礦山生產過程重要的環節，而鑿巖臺車是鑿巖作業重要的生產裝備，能夠顯著提高生產效率。目前，Simba 1354鑿巖臺車適合我國礦山的地下開采環境，并且該裝備在我國多個礦山應用，該鑿巖臺車主要是采用有線方式進行控制，控制信號線有70多條，分為兩根電纜傳輸。通常鑿巖臺車在工作的過程中被移動，傳輸電纜將被拖在地上跟著鑿巖臺車一起移動，不僅導致鑿巖臺車移動不方便，電纜還容易出現磨損，同時鉆孔落石和移動拖拽會對電纜造成破壞，影響控制信號的傳輸，甚至設備停運，影響正常生產，最致命的是鑿巖臺車在打孔過程中的落石可能成為操作人員的安全隱患。

隨著無線技術應用在各行各業的逐步普及，無線控制技術在礦業設備控制中發揮了很大的作用[1]。本文通過對1354鑿巖臺車控制原理進行研究，研制基于無線通信技術的1354鑿巖臺車遠程控制系統，該系統能夠提高鑿巖臺車生產作業效率，改善井下操作人員的工作環境，對提高礦山井下作業的安全具有重要作用。

1　總體設計

Simba 1354鑿巖臺車控制系統有兩個面板：定位板、鉆孔板。通過將有線遙控方式設計成為無線控制方式，遙控發送器實時檢測手柄、開關、旋鈕等信息，將這些信號以無線方式傳給遙控接收器，接收器將收到的信號解析處理，輸出到臺車電氣箱，完成定位、鉆孔指令[2]，總體設計見圖1。

圖1　1354鑿巖臺車遠程遙控總體設計

本文采用433 MHz無線通信技術，該無線通信技術工作頻段相對沒有太多干擾，并且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸時耗損小，適應井下巷道環境下使用。

2　1354鑿巖臺車操作原理

Simba 1354鉆孔機的操作界面由鉆孔操作臺和定位操作臺兩部分組成，如圖2和圖3所示。鉆孔操作臺和定位操作臺均為繼電式開關，所以產生的均為數字量信號，從面板分析可知總共有22個量，CAN總線信號主要展現的是顯示屏D501對鉆頭傾斜角和鉆孔深度的顯示，對得到信號進行梳理總結了所要處理的信號類型及數量。Simba 1354鉆孔機無線控制設計中需要實現55路數字量、1路模擬量和CAN總線信號的無線數據可靠性傳輸。

3　433 MHz無線通訊模塊設計

本遙控單元的遙控器和接收器采用CC1101無線通信模塊，該無線通訊模塊支持315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段，該模塊具有傳輸速率高、窄帶抗干擾性強、接收靈敏度高、傳輸穩定可靠，距離遠、低功耗等優點。接收靈敏度最高能夠達到-115 dBm，采用FSK、GFSK 、DSSS 調制方式能夠提高數據抗干擾能力[3]，無線射頻模塊電路設計見圖4。

圖2　鉆孔操作臺

圖3　定位操作臺

圖4　無線射頻模塊電路設計

遙控單元通過串口與無線通信模塊連接，433 MHz無線模塊軟件工作流程見圖5。

圖5　無線通訊模塊工作流程圖

4　遙控單元設計

本文設計遙控控制單元用于控制復雜的行走以及機械作業。遙控控制單元采用的STM32的核心處理器，憑借72 MHz的時鐘頻率和并行處理能力，在性能方面獲得了全新提升，實現了從比例電磁鐵的可編程控制和額外切換功能擴展到行走驅動和傳動控制，以及行走機械高復雜性控制電路的協調。高達64個輸出(0%*Vbat至100%*Vbat)、8個模擬輸入、10個數字輸入以及1個用于智能通信的CAN總線，這些控制單元為行走機械的所有功能提供了高性能平臺。

控制板所采用的STM32處理器以及所有輸入和輸出電路，模擬電壓范圍0～24 V、0～10 V，電流0～20 mA，頻率0～10 kHz，開關信息作為輸入信號處理。另外，輸入受到保護，以防過電壓和電氣干擾[4-5]。電壓輸入可以進行監控，以檢測電纜斷路或短路。對電流控制的比例電磁鐵輸出進行脈寬調制(PWM)，并對溫度和電壓波動進行補償，以保證高精確度和最小滯后。開關輸出設計用于繼電器和切換電磁鐵的直接通斷。此外，輸出還具有集成電壓和電流監控功能。

5　系統應用

將改造的1354鑿巖臺車遠程控制系統應用到

某礦山企業，經過實際測試能夠滿足現場使用要求，大大提高了生產效率和保障了員工安全，并改善了井下操作人員的工作環境。同時，通過無線方式控制鑿巖臺車，每年因線纜拖拽等造成的損耗由原先的幾十萬元成本降為零損耗，見表1。

表1　鑿巖臺車有線和無線操作方式對比

6　結　論

本文通過采用基于無線通信技術實現了1354鑿巖臺車遠程控制，在很大程度上降低了勞動成本及礦山企業生產成本，提高了鑿巖效率，改善了井下操作人員的工作環境。實現自動化遙控系統甚至無人作業工作面是采礦技術的發展趨勢，而在此過程中，遙控系統的開發和應用是其中必不可少的一部分，其可實現礦山相關系統井下遠程化甚至無人化操作，對提升安全作業水平具有重要意義。