掘進裝備智能遠程控制系統改造技術研究

趙東生

（冀中能源邯礦集團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，設計生產能力為年產量300 萬t。按照山西省能源局晉能源發〔2020〕247 號文件要求，結合呂梁市能源局要求，赤峪煤礦需在2021 年底前建設一個智能化掘進工作面，經多次調研廠家技術方案，對C1201 掘進工作面按智能化掘進中級標準建設，進行掘進裝備智能遠程控制系統改造技術研究。主要改造內容為：將北一采區北五底抽巷石家莊煤礦機械廠生產的EBZ-200A 掘進機上井改造，承攬改造單位對掘進機進行大修及智能化改造，增加與掘進機配套的臨時支護裝置、自移機尾裝置、張力自動控制裝置和錨護裝置等系統，使掘進機具備智能遠程控制功能。

2 掘進工作面配套設備及方案分析

2.1 改造方案分析

1）通過在普通掘進機上進行整機改造，并基于EBZ-200A 機型懸臂式掘進機設計，布置有兩部液壓錨桿鉆機，分別布置于掘進機本體架兩側行走部上方。掘進時，鉆錨系統位于回轉臺后方，不影響正常掘進作業。支護時，鉆錨系統通過兩級縱移機構行進至截割頭前方進行錨護作業。

2）增加機載臨時支護裝置，采用新型單主臂結構，支撐強度高，額定支撐力可達30 kN，支護頂架采用雙回轉缸結構進行頂架調平，保證頂架接頂效果。此方案適用于矩形、拱形和梯形巷道。

3）增加掘進機電液控制裝置、網絡通信系統、視頻采集系統、音頻廣播采集系統以及位姿監測系統等，配合井下集控中心、井上集控中心可以實現自動定位與導向、自適應截割、工況在線監測及故障診斷等自動化功能，并具有本機操作、近地遙控及超視距操控功能。

4）配置自移機尾，可以實現一鍵自移。自移動力站含液壓泵站、主電控箱及變頻控制箱等設備，隨帶式轉載機同步、同向移動配置皮帶自動糾偏裝置，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，配合上位機組態軟件可以實現工況在線監測、故障診斷功能，并具備監測環境數據智能分析。

5）配置音頻采集廣播系統，可實現采集工作面音頻信息，指導人工遠程干預操作。配置高清視頻采集系統，可實現采集工作面視頻信息，指導人工遠程干預操作、自動識別工作面的設備和人員，主動對視頻信息進行智能分析，對設備位置、工作狀態、人員違規作業、風險預警等及時發出報警信息。

6）配置井下集控平臺搭載的視頻監控器、礦用操作箱配合電液控制系統，可以實現對巷道掘進設備遠程操控的功能，監測設備供電、工作面視頻、工作面設備運行狀態等信息，實現所有設備“一鍵啟停”、設備狀態監控、視頻檢測和無線數據網絡管理等。通過操作臺進行移機、控制相關設備起停等。

7）配置人員接近保護裝置，可以實現危險區域人員接近識別與報警功能。配置機器視覺與激光標靶建立的掘進機位姿監測系統，可以監測掘進機的俯仰角、橫滾角和航向角，并通過集控平臺的上位機組姿態軟件實時顯示當前掘進機的姿態。

8）配置三維激光雷達及三維監控軟件，可以根據采集的相關信息進行掘進工作面真實場景再現。

2.2 智能掘進主要設備組成

2.2.1 掘錨機

采用EBZ-200A 掘進機改造成掘錨機，通過在原掘進機基礎上增加機載錨桿鉆機、臨時支護等部件，實現掘進、臨時支護、鉆錨機械化作業，并具備掘進、鉆錨遙控功能。掘錨機截割部以及機身安裝的基于“機器視覺”截割部坐標監測裝置通過算法計算后，可以在上位機組態軟件中顯示截割部實時坐標。掘錨機機身安裝的“單目相機”可以實時采集安裝在巷道的激光指向儀“紅外射線”，結合安裝在掘錨機上的慣導系統，通過算法計算后可以獲得掘錨機機身相對于巷道的實時三維坐標，與電液控制箱控制建立通信后，可以實現掘錨機自主導航功能。

2.2.2 自移機尾

自移機尾安裝在運輸皮帶機尾，型號為DWZY1000/900，設備寬度2 m 左右，質量18 t，具有跑偏調整、推移方向校正、一鍵自動前移、自動卷纜和張力自動控制等功能，調整方便，并可實現視距遙控和手動控制兩種控制方式，操作安全[1]。還具備放置卷纜功能，避免移動過程中經常搭接電纜。

2.2.3 機載錨桿鉆機

采用倍數鉆機結構設計，鉆機縮回長度為1.2 m，行程1.4 m。鉆機頂部設置有夾釬器，便于拆卸釬桿，滿足錨桿、錨索施工要求，前部鉆機通過兩級回轉油缸與固定座連接，固定座與懸臂內臂鉸接并通過油缸進行角度調節，可實現懸臂上擺40°、下擺30°時平臺處于水平。

前部鉆機可進行頂部、幫部、迎頭方向鉆孔作業，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 機載臨時支護裝置

新增臨時支護裝置，采用全新的結構設計，具有前伸、側伸、前后翻轉和左右翻轉等功能，滿足多方位、不同斷面巷道條件。為滿足支護安裝要求，需在截割部前端焊接支護固定座。

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計，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、開關量采集、以太網通信和CAN 通信等功能[2]。搭載FYS20J接收器可進行遙控操作，電液控制箱已關聯位移、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機上，配合控制室“上位機組態軟件”集成自動截割功能的設置界面以及自動截割功能的控制操作臺。通過人員操作可以實現掘錨機的自動截割功能，同時可以超視距控制截割電機、油泵電機和二運等電動機啟停。控制截割部、行走部、鏟板、星輪、后支撐及一運等電液比例閥開閉。

2.2.6 機載無線基站

KT113-F 機載無線基站，采用本安型設計，供電電壓為DC12 V，外部接口均為高品質快插接頭，安裝便捷，故障率低。內部裝有“嵌入式交換機”，采用高性能的工業級交換芯片，在接口配置上支持2 個千兆接口+8 個百兆接口，特別適用于大數據流量傳輸應用場合[3]，并可根據需求擴展RS485、CAN、RS232 和RS422 等通信功能。

2.2.7 井下集控平臺

井下集控平臺主要由無線網絡交換機、礦用顯示器（21.5 寸）、礦用硬盤錄像機、礦用計算機主機、語音擴播采集裝置、礦用本安操作箱、礦用照明燈、礦用電源開關和礦用隔爆接線盒等組成，可實現對遠程設備的控制。配置的可視化界面可以實時顯示設備健康狀態、設備當前運行信息、設備的保護及報警、現場環境監測、語音廣播和采集。同時，可具備對掘進機的遠程控制，掘進機自動截割軌跡選擇，自動截割參數設置。

2.3 控制方式

1）本地控制：司機在掘進機上通過“機載操作箱”操作，這也是最傳統的操作方式。赤峪煤礦對掘進設備進行升級改造后，此項操作方式依然會保留且為第一優先級操作順序。

2）視距遙控：掘進機改造后配備“礦用遙控器”，操作人員使用遙控器可對掘進設備進行視距不小于50 m 范圍內的遙控控制。

3）遠程遙控：掘進機改造后配備“井下集控平臺”，集控平臺可以實現超視距遠程控制，控制功能與機載操作箱相同。

4）自動控制：系統集成“自動控制程序算法”通過上位機軟件選擇設置后，可以實現一鍵啟動，對割煤、支護和運輸工序實現自動控制[4-5]。

2.4 實現功能

2.4.1 上位機顯示與報警

1）截割狀態：系統可顯示當前截割頭坐標、截割頭運行路徑。

2）控制狀態：系統可顯示油泵電機、截割電機、二運電機和水泵（風機）電機開關狀態，以及截割伸縮、星輪、后支撐、鏟板、一運和警鈴等開關狀態。

3）系統日志：可顯示通信狀態、控制以及預警的信息、系統運行過程中的提示信息。

4）動畫模擬：可實時顯示當前掘進機的俯視動態圖、側視動態圖和三維動態圖。

5）系統數據：可實時監控系統電壓、油泵電流、截割電流、水泵電流和二運電流。

6）通信狀態：可監控遠程控制通信狀態、視距控制通信狀態。

7）系統信息：包括系統時間、當前功率、工作模式、急停狀態、截割急停狀態、星輪、一運狀態、工作電壓狀態、瓦斯和油位狀態等。

8）位姿顯示：包括迎頭距離、設備坐標、橫滾角、俯仰角和航向角等。

9）故障預警：各部電動機綜合保護狀態、過載、過流、三相不平衡、漏電、接觸器粘連、瓦斯超限、瓦斯斷線、人員接近和油位預警等。

2.4.2 預警及保護

1）設備保護：掘錨機主控箱、錨桿鉆車電磁起動器、自移機尾電磁起動器和風機電磁起動器均具備基本電動機綜合保護功能，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：人員接近保護可以設置預警距離和保護距離。在保護裝置運行中，人員進入預警距離范圍，機載聲光報警器會預警，人員進入保護距離范圍設備會緊急停機。

3）通信中斷保護：視距控制中當通信中斷時，系統會自動停機。遠程控制中當通信中斷時，系統會自動停機。

2.4.3 視頻采集顯示

視頻采集系統安裝6 臺機載本安攝像儀，其中1臺攝像儀安裝在機身上，用于監控截割部狀態；2 臺攝像儀安裝在左右履帶上方，用于監控鏟板及堆煤狀態；1 臺攝像儀安裝在掘進機機尾，監控一部運輸轉載點狀態；1 臺安裝在二運轉載點，用于監控二運出煤狀態；1 臺安裝在井下集控室，用于監控人員狀態。

2.4.4 系統控制

系統控制功能主要包括對以下開關的控制：油泵電機開關、截割電機開關、水泵電機開關、二運電機開關、風機電機開關、一運電磁閥開關、星輪電磁閥開關、左右履帶電磁閥開關、截割部伸縮電磁閥開關、截割部回轉電磁閥開關、截割部升降電磁閥開關、鏟板升降電磁閥開關、后支撐升降電磁閥開關、警鈴開關和照明燈開關及信號照明切換等。

3 實踐應用及效果分析

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

2）勞動工效大幅度提高，從以往的每月每人掘進2.4 m 提高到3.6 m。

3）安全效益顯著，智能遠程控制系統的建設，實現了自動化減人和智能化少人的目標。在改造中，掘進機大修費用120 萬元，購置自移機尾裝置和張力自動控制裝置費用80 萬元，掘進機增加頂板臨時支護裝置及智能化改造280 萬元，總費用480 萬元，掘進工作面掘進裝備智能遠程控制系統的成本較低，可以在該礦進行推廣應用。