掘進(jìn)裝備智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造技術(shù)研究

趙東生

（冀中能源邯礦集團(tuán)山西金地煤焦有限公司赤峪煤礦， 山西 文水 032100）

1 赤峪煤礦概況

冀中能源邯礦集團(tuán)山西金地煤焦有限公司赤峪煤礦位于山西省呂梁市文水縣土堂村西，井田面積為31.7 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)量300 萬t。按照山西省能源局晉能源發(fā)〔2020〕247 號(hào)文件要求，結(jié)合呂梁市能源局要求，赤峪煤礦需在2021 年底前建設(shè)一個(gè)智能化掘進(jìn)工作面，經(jīng)多次調(diào)研廠家技術(shù)方案，對(duì)C1201 掘進(jìn)工作面按智能化掘進(jìn)中級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，進(jìn)行掘進(jìn)裝備智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)改造技術(shù)研究。主要改造內(nèi)容為：將北一采區(qū)北五底抽巷石家莊煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的EBZ-200A 掘進(jìn)機(jī)上井改造，承攬改造單位對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行大修及智能化改造，增加與掘進(jìn)機(jī)配套的臨時(shí)支護(hù)裝置、自移機(jī)尾裝置、張力自動(dòng)控制裝置和錨護(hù)裝置等系統(tǒng)，使掘進(jìn)機(jī)具備智能遠(yuǎn)程控制功能。

2 掘進(jìn)工作面配套設(shè)備及方案分析

2.1 改造方案分析

1）通過在普通掘進(jìn)機(jī)上進(jìn)行整機(jī)改造，并基于EBZ-200A 機(jī)型懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)，布置有兩部液壓錨桿鉆機(jī)，分別布置于掘進(jìn)機(jī)本體架兩側(cè)行走部上方。掘進(jìn)時(shí)，鉆錨系統(tǒng)位于回轉(zhuǎn)臺(tái)后方，不影響正常掘進(jìn)作業(yè)。支護(hù)時(shí)，鉆錨系統(tǒng)通過兩級(jí)縱移機(jī)構(gòu)行進(jìn)至截割頭前方進(jìn)行錨護(hù)作業(yè)。

2）增加機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，采用新型單主臂結(jié)構(gòu)，支撐強(qiáng)度高，額定支撐力可達(dá)30 kN，支護(hù)頂架采用雙回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂架調(diào)平，保證頂架接頂效果。此方案適用于矩形、拱形和梯形巷道。

3）增加掘進(jìn)機(jī)電液控制裝置、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)、音頻廣播采集系統(tǒng)以及位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，配合井下集控中心、井上集控中心可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位與導(dǎo)向、自適應(yīng)截割、工況在線監(jiān)測(cè)及故障診斷等自動(dòng)化功能，并具有本機(jī)操作、近地遙控及超視距操控功能。

4）配置自移機(jī)尾，可以實(shí)現(xiàn)一鍵自移。自移動(dòng)力站含液壓泵站、主電控箱及變頻控制箱等設(shè)備，隨帶式轉(zhuǎn)載機(jī)同步、同向移動(dòng)配置皮帶自動(dòng)糾偏裝置，配置位移傳感器、傾角傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器以及粉塵傳感器，配合上位機(jī)組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)工況在線監(jiān)測(cè)、故障診斷功能，并具備監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)智能分析。

5）配置音頻采集廣播系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采集工作面音頻信息，指導(dǎo)人工遠(yuǎn)程干預(yù)操作。配置高清視頻采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采集工作面視頻信息，指導(dǎo)人工遠(yuǎn)程干預(yù)操作、自動(dòng)識(shí)別工作面的設(shè)備和人員，主動(dòng)對(duì)視頻信息進(jìn)行智能分析，對(duì)設(shè)備位置、工作狀態(tài)、人員違規(guī)作業(yè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

6）配置井下集控平臺(tái)搭載的視頻監(jiān)控器、礦用操作箱配合電液控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掘進(jìn)設(shè)備遠(yuǎn)程操控的功能，監(jiān)測(cè)設(shè)備供電、工作面視頻、工作面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備“一鍵啟停”、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、視頻檢測(cè)和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理等。通過操作臺(tái)進(jìn)行移機(jī)、控制相關(guān)設(shè)備起停等。

7）配置人員接近保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域人員接近識(shí)別與報(bào)警功能。配置機(jī)器視覺與激光標(biāo)靶建立的掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)的俯仰角、橫滾角和航向角，并通過集控平臺(tái)的上位機(jī)組姿態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)。

8）配置三維激光雷達(dá)及三維監(jiān)控軟件，可以根據(jù)采集的相關(guān)信息進(jìn)行掘進(jìn)工作面真實(shí)場景再現(xiàn)。

2.2 智能掘進(jìn)主要設(shè)備組成

2.2.1 掘錨機(jī)

采用EBZ-200A 掘進(jìn)機(jī)改造成掘錨機(jī)，通過在原掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上增加機(jī)載錨桿鉆機(jī)、臨時(shí)支護(hù)等部件，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、臨時(shí)支護(hù)、鉆錨機(jī)械化作業(yè)，并具備掘進(jìn)、鉆錨遙控功能。掘錨機(jī)截割部以及機(jī)身安裝的基于“機(jī)器視覺”截割部坐標(biāo)監(jiān)測(cè)裝置通過算法計(jì)算后，可以在上位機(jī)組態(tài)軟件中顯示截割部實(shí)時(shí)坐標(biāo)。掘錨機(jī)機(jī)身安裝的“單目相機(jī)”可以實(shí)時(shí)采集安裝在巷道的激光指向儀“紅外射線”，結(jié)合安裝在掘錨機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)，通過算法計(jì)算后可以獲得掘錨機(jī)機(jī)身相對(duì)于巷道的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，與電液控制箱控制建立通信后，可以實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)自主導(dǎo)航功能。

2.2.2 自移機(jī)尾

自移機(jī)尾安裝在運(yùn)輸皮帶機(jī)尾，型號(hào)為DWZY1000/900，設(shè)備寬度2 m 左右，質(zhì)量18 t，具有跑偏調(diào)整、推移方向校正、一鍵自動(dòng)前移、自動(dòng)卷纜和張力自動(dòng)控制等功能，調(diào)整方便，并可實(shí)現(xiàn)視距遙控和手動(dòng)控制兩種控制方式，操作安全[1]。還具備放置卷纜功能，避免移動(dòng)過程中經(jīng)常搭接電纜。

2.2.3 機(jī)載錨桿鉆機(jī)

采用倍數(shù)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鉆機(jī)縮回長度為1.2 m，行程1.4 m。鉆機(jī)頂部設(shè)置有夾釬器，便于拆卸釬桿，滿足錨桿、錨索施工要求，前部鉆機(jī)通過兩級(jí)回轉(zhuǎn)油缸與固定座連接，固定座與懸臂內(nèi)臂鉸接并通過油缸進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)懸臂上擺40°、下擺30°時(shí)平臺(tái)處于水平。

前部鉆機(jī)可進(jìn)行頂部、幫部、迎頭方向鉆孔作業(yè)，適用于錨桿、錨索孔、探水、瓦斯排放孔以及泄壓孔施工，最大可施工孔徑133 mm。

2.2.4 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置

新增臨時(shí)支護(hù)裝置，采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有前伸、側(cè)伸、前后翻轉(zhuǎn)和左右翻轉(zhuǎn)等功能，滿足多方位、不同斷面巷道條件。為滿足支護(hù)安裝要求，需在截割部前端焊接支護(hù)固定座。

2.2.5 KXB127 礦用隔爆型電液控制箱

KXB127 礦用隔爆型電液控制箱采用隔爆型設(shè)計(jì)，供電電壓為AC127 V，可選裝隔爆型快插接頭。具備電液比例閥控制、模擬量采集、繼電器輸出、開關(guān)量采集、以太網(wǎng)通信和CAN 通信等功能[2]。搭載FYS20J接收器可進(jìn)行遙控操作，電液控制箱已關(guān)聯(lián)位移、傾角、壓力及流量等傳感器。

KXB127 礦用隔爆型電液控制箱放在掘進(jìn)機(jī)上，配合控制室“上位機(jī)組態(tài)軟件”集成自動(dòng)截割功能的設(shè)置界面以及自動(dòng)截割功能的控制操作臺(tái)。通過人員操作可以實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)的自動(dòng)截割功能，同時(shí)可以超視距控制截割電機(jī)、油泵電機(jī)和二運(yùn)等電動(dòng)機(jī)啟停。控制截割部、行走部、鏟板、星輪、后支撐及一運(yùn)等電液比例閥開閉。

2.2.6 機(jī)載無線基站

KT113-F 機(jī)載無線基站，采用本安型設(shè)計(jì)，供電電壓為DC12 V，外部接口均為高品質(zhì)快插接頭，安裝便捷，故障率低。內(nèi)部裝有“嵌入式交換機(jī)”，采用高性能的工業(yè)級(jí)交換芯片，在接口配置上支持2 個(gè)千兆接口+8 個(gè)百兆接口，特別適用于大數(shù)據(jù)流量傳輸應(yīng)用場合[3]，并可根據(jù)需求擴(kuò)展RS485、CAN、RS232 和RS422 等通信功能。

2.2.7 井下集控平臺(tái)

井下集控平臺(tái)主要由無線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、礦用顯示器（21.5 寸）、礦用硬盤錄像機(jī)、礦用計(jì)算機(jī)主機(jī)、語音擴(kuò)播采集裝置、礦用本安操作箱、礦用照明燈、礦用電源開關(guān)和礦用隔爆接線盒等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制。配置的可視化界面可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行信息、設(shè)備的保護(hù)及報(bào)警、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測(cè)、語音廣播和采集。同時(shí)，可具備對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割軌跡選擇，自動(dòng)截割參數(shù)設(shè)置。

2.3 控制方式

1）本地控制：司機(jī)在掘進(jìn)機(jī)上通過“機(jī)載操作箱”操作，這也是最傳統(tǒng)的操作方式。赤峪煤礦對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造后，此項(xiàng)操作方式依然會(huì)保留且為第一優(yōu)先級(jí)操作順序。

2）視距遙控：掘進(jìn)機(jī)改造后配備“礦用遙控器”，操作人員使用遙控器可對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行視距不小于50 m 范圍內(nèi)的遙控控制。

3）遠(yuǎn)程遙控：掘進(jìn)機(jī)改造后配備“井下集控平臺(tái)”，集控平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)超視距遠(yuǎn)程控制，控制功能與機(jī)載操作箱相同。

4）自動(dòng)控制：系統(tǒng)集成“自動(dòng)控制程序算法”通過上位機(jī)軟件選擇設(shè)置后，可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，對(duì)割煤、支護(hù)和運(yùn)輸工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制[4-5]。

2.4 實(shí)現(xiàn)功能

2.4.1 上位機(jī)顯示與報(bào)警

1）截割狀態(tài)：系統(tǒng)可顯示當(dāng)前截割頭坐標(biāo)、截割頭運(yùn)行路徑。

2）控制狀態(tài)：系統(tǒng)可顯示油泵電機(jī)、截割電機(jī)、二運(yùn)電機(jī)和水泵（風(fēng)機(jī)）電機(jī)開關(guān)狀態(tài)，以及截割伸縮、星輪、后支撐、鏟板、一運(yùn)和警鈴等開關(guān)狀態(tài)。

3）系統(tǒng)日志：可顯示通信狀態(tài)、控制以及預(yù)警的信息、系統(tǒng)運(yùn)行過程中的提示信息。

4）動(dòng)畫模擬：可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的俯視動(dòng)態(tài)圖、側(cè)視動(dòng)態(tài)圖和三維動(dòng)態(tài)圖。

5）系統(tǒng)數(shù)據(jù)：可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電壓、油泵電流、截割電流、水泵電流和二運(yùn)電流。

6）通信狀態(tài)：可監(jiān)控遠(yuǎn)程控制通信狀態(tài)、視距控制通信狀態(tài)。

7）系統(tǒng)信息：包括系統(tǒng)時(shí)間、當(dāng)前功率、工作模式、急停狀態(tài)、截割急停狀態(tài)、星輪、一運(yùn)狀態(tài)、工作電壓狀態(tài)、瓦斯和油位狀態(tài)等。

8）位姿顯示：包括迎頭距離、設(shè)備坐標(biāo)、橫滾角、俯仰角和航向角等。

9）故障預(yù)警：各部電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)狀態(tài)、過載、過流、三相不平衡、漏電、接觸器粘連、瓦斯超限、瓦斯斷線、人員接近和油位預(yù)警等。

2.4.2 預(yù)警及保護(hù)

1）設(shè)備保護(hù)：掘錨機(jī)主控箱、錨桿鉆車電磁起動(dòng)器、自移機(jī)尾電磁起動(dòng)器和風(fēng)機(jī)電磁起動(dòng)器均具備基本電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能，且自帶瓦斯傳感器，具備超限急停、斷線急停功能。

2）人員接近保護(hù)：人員接近保護(hù)可以設(shè)置預(yù)警距離和保護(hù)距離。在保護(hù)裝置運(yùn)行中，人員進(jìn)入預(yù)警距離范圍，機(jī)載聲光報(bào)警器會(huì)預(yù)警，人員進(jìn)入保護(hù)距離范圍設(shè)備會(huì)緊急停機(jī)。

3）通信中斷保護(hù)：視距控制中當(dāng)通信中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。遠(yuǎn)程控制中當(dāng)通信中斷時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

2.4.3 視頻采集顯示

視頻采集系統(tǒng)安裝6 臺(tái)機(jī)載本安攝像儀，其中1臺(tái)攝像儀安裝在機(jī)身上，用于監(jiān)控截割部狀態(tài)；2 臺(tái)攝像儀安裝在左右履帶上方，用于監(jiān)控鏟板及堆煤狀態(tài)；1 臺(tái)攝像儀安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾，監(jiān)控一部運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)狀態(tài)；1 臺(tái)安裝在二運(yùn)轉(zhuǎn)載點(diǎn)，用于監(jiān)控二運(yùn)出煤狀態(tài)；1 臺(tái)安裝在井下集控室，用于監(jiān)控人員狀態(tài)。

2.4.4 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制功能主要包括對(duì)以下開關(guān)的控制：油泵電機(jī)開關(guān)、截割電機(jī)開關(guān)、水泵電機(jī)開關(guān)、二運(yùn)電機(jī)開關(guān)、風(fēng)機(jī)電機(jī)開關(guān)、一運(yùn)電磁閥開關(guān)、星輪電磁閥開關(guān)、左右履帶電磁閥開關(guān)、截割部伸縮電磁閥開關(guān)、截割部回轉(zhuǎn)電磁閥開關(guān)、截割部升降電磁閥開關(guān)、鏟板升降電磁閥開關(guān)、后支撐升降電磁閥開關(guān)、警鈴開關(guān)和照明燈開關(guān)及信號(hào)照明切換等。

3 實(shí)踐應(yīng)用及效果分析

1）掘進(jìn)工作面的單進(jìn)水平大幅度提高，從以往的每月掘進(jìn)120 m 提高到180 m。

2）勞動(dòng)工效大幅度提高，從以往的每月每人掘進(jìn)2.4 m 提高到3.6 m。

3）安全效益顯著，智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化減人和智能化少人的目標(biāo)。在改造中，掘進(jìn)機(jī)大修費(fèi)用120 萬元，購置自移機(jī)尾裝置和張力自動(dòng)控制裝置費(fèi)用80 萬元，掘進(jìn)機(jī)增加頂板臨時(shí)支護(hù)裝置及智能化改造280 萬元，總費(fèi)用480 萬元，掘進(jìn)工作面掘進(jìn)裝備智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的成本較低，可以在該礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。