劉　旭，金　楓，呂　瀟,張?jiān)?/p>

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；3.金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

隨著地上礦產(chǎn)資源的減少，礦產(chǎn)開采由露天逐漸轉(zhuǎn)移到地下，鑿巖作業(yè)是井下礦山生產(chǎn)過程重要的環(huán)節(jié)，而鑿巖臺(tái)車是鑿巖作業(yè)重要的生產(chǎn)裝備，能夠顯著提高生產(chǎn)效率。目前，Simba 1354鑿巖臺(tái)車適合我國礦山的地下開采環(huán)境，并且該裝備在我國多個(gè)礦山應(yīng)用，該鑿巖臺(tái)車主要是采用有線方式進(jìn)行控制，控制信號(hào)線有70多條，分為兩根電纜傳輸。通常鑿巖臺(tái)車在工作的過程中被移動(dòng)，傳輸電纜將被拖在地上跟著鑿巖臺(tái)車一起移動(dòng)，不僅導(dǎo)致鑿巖臺(tái)車移動(dòng)不方便，電纜還容易出現(xiàn)磨損，同時(shí)鉆孔落石和移動(dòng)拖拽會(huì)對(duì)電纜造成破壞，影響控制信號(hào)的傳輸，甚至設(shè)備停運(yùn)，影響正常生產(chǎn)，最致命的是鑿巖臺(tái)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(shù)應(yīng)用在各行各業(yè)的逐步普及，無線控制技術(shù)在礦業(yè)設(shè)備控制中發(fā)揮了很大的作用[1]。本文通過對(duì)1354鑿巖臺(tái)車控制原理進(jìn)行研究，研制基于無線通信技術(shù)的1354鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提高鑿巖臺(tái)車生產(chǎn)作業(yè)效率，改善井下操作人員的工作環(huán)境，對(duì)提高礦山井下作業(yè)的安全具有重要作用。

1　總體設(shè)計(jì)

Simba 1354鑿巖臺(tái)車控制系統(tǒng)有兩個(gè)面板：定位板、鉆孔板。通過將有線遙控方式設(shè)計(jì)成為無線控制方式，遙控發(fā)送器實(shí)時(shí)檢測(cè)手柄、開關(guān)、旋鈕等信息，將這些信號(hào)以無線方式傳給遙控接收器，接收器將收到的信號(hào)解析處理，輸出到臺(tái)車電氣箱，完成定位、鉆孔指令[2]，總體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1　1354鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程遙控總體設(shè)計(jì)

本文采用433 MHz無線通信技術(shù)，該無線通信技術(shù)工作頻段相對(duì)沒有太多干擾，并且433 MHz工作頻率低，繞射性能好，傳輸時(shí)耗損小，適應(yīng)井下巷道環(huán)境下使用。

2　1354鑿巖臺(tái)車操作原理

Simba 1354鉆孔機(jī)的操作界面由鉆孔操作臺(tái)和定位操作臺(tái)兩部分組成，如圖2和圖3所示。鉆孔操作臺(tái)和定位操作臺(tái)均為繼電式開關(guān)，所以產(chǎn)生的均為數(shù)字量信號(hào)，從面板分析可知總共有22個(gè)量，CAN總線信號(hào)主要展現(xiàn)的是顯示屏D501對(duì)鉆頭傾斜角和鉆孔深度的顯示，對(duì)得到信號(hào)進(jìn)行梳理總結(jié)了所要處理的信號(hào)類型及數(shù)量。Simba 1354鉆孔機(jī)無線控制設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)55路數(shù)字量、1路模擬量和CAN總線信號(hào)的無線數(shù)據(jù)可靠性傳輸。

3　433 MHz無線通訊模塊設(shè)計(jì)

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(qiáng)、接收靈敏度高、傳輸穩(wěn)定可靠，距離遠(yuǎn)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。接收靈敏度最高能夠達(dá)到-115 dBm，采用FSK、GFSK 、DSSS 調(diào)制方式能夠提高數(shù)據(jù)抗干擾能力[3]，無線射頻模塊電路設(shè)計(jì)見圖4。

圖2　鉆孔操作臺(tái)

圖3　定位操作臺(tái)

圖4　無線射頻模塊電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)遙控控制單元用于控制復(fù)雜的行走以及機(jī)械作業(yè)。遙控控制單元采用的STM32的核心處理器，憑借72 MHz的時(shí)鐘頻率和并行處理能力，在性能方面獲得了全新提升，實(shí)現(xiàn)了從比例電磁鐵的可編程控制和額外切換功能擴(kuò)展到行走驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)控制，以及行走機(jī)械高復(fù)雜性控制電路的協(xié)調(diào)。高達(dá)64個(gè)輸出(0%*Vbat至100%*Vbat)、8個(gè)模擬輸入、10個(gè)數(shù)字輸入以及1個(gè)用于智能通信的CAN總線，這些控制單元為行走機(jī)械的所有功能提供了高性能平臺(tái)。

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(guān)信息作為輸入信號(hào)處理。另外，輸入受到保護(hù)，以防過電壓和電氣干擾[4-5]。電壓輸入可以進(jìn)行監(jiān)控，以檢測(cè)電纜斷路或短路。對(duì)電流控制的比例電磁鐵輸出進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)，并對(duì)溫度和電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以保證高精確度和最小滯后。開關(guān)輸出設(shè)計(jì)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(jiān)控功能。

5　系統(tǒng)應(yīng)用

將改造的1354鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用到

某礦山企業(yè)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，大大提高了生產(chǎn)效率和保障了員工安全，并改善了井下操作人員的工作環(huán)境。同時(shí)，通過無線方式控制鑿巖臺(tái)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(tái)車有線和無線操作方式對(duì)比

6　結(jié)　論

本文通過采用基于無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1354鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程控制，在很大程度上降低了勞動(dòng)成本及礦山企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了鑿巖效率，改善了井下操作人員的工作環(huán)境。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遙控系統(tǒng)甚至無人作業(yè)工作面是采礦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而在此過程中，遙控系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用是其中必不可少的一部分，其可實(shí)現(xiàn)礦山相關(guān)系統(tǒng)井下遠(yuǎn)程化甚至無人化操作，對(duì)提升安全作業(yè)水平具有重要意義。