黃元葉
(宜春鉭鈮礦有限公司,江西宜春 336000)
機車遠程駕駛系統(tǒng)是以提升宜春鉭鈮礦運輸效率,降低系統(tǒng)作業(yè)人員數(shù)量及運維成本為目標的礦山生產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)。可實現(xiàn)機車無人駕駛、遠程放礦、礦石自動卸載、礦石自動稱重、機車安全預(yù)警等功能,能夠顯著提升運輸效率,優(yōu)化生產(chǎn)運輸調(diào)度,合理利用資源,降低生產(chǎn)成本,保障生產(chǎn)作業(yè)安全,是建設(shè)智能化礦山、科技化礦山及未來無人化礦山的重要支撐系統(tǒng),定位系統(tǒng)的實現(xiàn)是無人駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
對比4G 與5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,1880 MHz 頻段4G 網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋半徑能達到2000 m,而5G 網(wǎng)絡(luò)相對低頻段2.6 GHz 有效覆蓋半徑不足500 m。在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)中,考慮建設(shè)成本及覆蓋范圍要求,為滿足定位系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)交換,需搭建網(wǎng)絡(luò)平臺——4G LTE 無線專網(wǎng),由核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管系統(tǒng)、室外覆蓋基站、集群終端、室外CPE 終端、調(diào)度系統(tǒng)、移動基站等部分組成。無線寬帶集群專網(wǎng)系統(tǒng)的分級組網(wǎng)模式下,在調(diào)度中心機房統(tǒng)一管理eSCN 核心網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)管服務(wù)器、綜合調(diào)度機、系統(tǒng)網(wǎng)管等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)度所有用戶,運輸沿線建立若干個移動基站實現(xiàn)完全覆蓋,如有隧道還需敷設(shè)泄漏電纜進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。以車載CPE(EG860V2)為載體,實現(xiàn)上位機與有軌機車之間的通信。LTE 無線專網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)框架如圖1 所示。
圖1 LTE 無線專網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)框架
基于現(xiàn)場運輸線路潮濕、環(huán)境復(fù)雜,有源電子標簽和半有源電子標簽內(nèi)部均需電池供電,成本高、壽命有限且不易做成薄卡,不能滿足現(xiàn)場環(huán)境使用要求。為滿足機車定位系統(tǒng)要求,定位標簽選型可選用高射頻無源電子標簽[1]即RFID 標簽,其工作原理如下:在RFID 讀卡器的讀出范圍之外時,電子標簽處于無源狀態(tài),在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時,閱讀器發(fā)出的射頻能量為無源電子標簽提供工作所需的電源,采用反射調(diào)制方式向讀卡器傳送相關(guān)標簽信息。根據(jù)宜春鉭鈮礦有限公司電機車運行速度≤10 km/h,讀卡速率能達到200 ms 內(nèi)讀取兩次以上即可。顯然,無源電子標簽?zāi)苓_到現(xiàn)場使用要求。
根據(jù)宜春鉭鈮礦有限公司露天式有軌運輸方式,運輸線路由“隧道+露天式軌道運輸”兩部分組成,在定位標簽的安裝方式上選用兩個安裝方案:①在隧道側(cè)面及架線桿上安裝定位標簽,在電機車頭同側(cè)面安裝定位標簽讀卡器實現(xiàn)定位標簽的讀取功能;②在軌道枕木上安裝定位標簽,在電機車頭底部安裝定位標簽讀卡器實現(xiàn)定位標簽的讀取功能。固然“側(cè)面安裝”方式讀卡器及定位標簽具有能保持干凈整潔,也容易維護等優(yōu)點,但在實際使用過程發(fā)現(xiàn)讀取效率不高,部分標簽讀取距離較長,容易出現(xiàn)標簽漏掃現(xiàn)象。選用“枕木安裝”效果顯著,基本上沒出現(xiàn)漏掃標簽現(xiàn)象,對現(xiàn)場及電機車頭整體較為美觀大方。通過兩種安裝方式對比,采用枕木安裝定位標簽及車頭底部安裝讀卡器方式,實現(xiàn)了定位標簽相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取功能(圖2)。
圖2 定位標簽安裝
為保證定位標簽識別的準確及有效性,在定位點上安裝兩個定位標簽,讀取其中一個定位標簽就能實現(xiàn)定位系統(tǒng)的相關(guān)功能,采用“二選一”讀取方式,大大減少標簽漏掃及標簽損壞導(dǎo)致定位功能失效的故障率,保證定位系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。
RFID 標簽采用RFID 標簽讀卡器實現(xiàn)對標簽數(shù)據(jù)的讀取及傳輸。在機車上安裝讀卡器讀取RFID 定位標簽。RFID 讀卡器是一種能閱讀電子標簽數(shù)據(jù)的自動識別設(shè)備,RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。RFID 標簽讀卡器的讀取可靠性直接影響整體無人駕駛系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山項目——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)中,通過比對多種RFID讀卡器實際運行情況,在與PLC 數(shù)據(jù)傳輸過程中,不僅通信協(xié)議及現(xiàn)場總線連接方式要一致,與RFID 標簽卡射頻范圍也應(yīng)保持一致,才能實現(xiàn)機車運行過程中標簽讀取穩(wěn)定、可靠,不出現(xiàn)漏掃標簽現(xiàn)象,為無人駕駛及自動駕駛奠定基礎(chǔ)。定位系統(tǒng)效果如圖3 所示。
圖3 定位系統(tǒng)效果
RFID 標簽讀卡器與PLC 之間數(shù)據(jù)交換是通過相關(guān)通信協(xié)議建立聯(lián)系,監(jiān)測機車的運行軌跡及實時位置,進而實現(xiàn)機車自動駕駛、自動變道及視頻切換等功能。
目前市場上運用較好的現(xiàn)場總線與通信協(xié)議主要有CANbus 總線與CAN-bus 協(xié)議及RS-485 總線與Modbus 協(xié)議,兩種方式均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能,由于標簽讀卡安裝在機車上,與PLC 的傳輸距離近,而RS-485 總線抗噪聲干擾性強,傳輸距離也能滿足要求,具備多站能力且建設(shè)成本相比CAN 總線要低的多,在宜春鉭鈮礦有限公司數(shù)字化礦山項目——電機車無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)中,現(xiàn)場環(huán)境噪聲干擾性較大,選用RS-485 總線及Modbus 協(xié)議,實現(xiàn)RFID 標簽讀卡器與PLC 之間的數(shù)據(jù)交換,為PLC 的數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定性提供保障。
可編程邏輯控制器即PLC,是機車無人駕駛系統(tǒng)的重要組成部分,通過Modbus 通信協(xié)議與RFID 讀寫器建立連接,讀取機車的實時位置信息并共享給中控室上位機,根據(jù)讀取的位置信息,編寫PLC 邏輯控制指令及上位機控制指令,實現(xiàn)定位系統(tǒng)相關(guān)功能及信集閉系統(tǒng)具有重要意義。
信集閉控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮電機車運行路線和作業(yè)順序,根據(jù)信號聯(lián)鎖規(guī)則,自動控制轉(zhuǎn)轍機和信號燈的動作,控制信號燈或虛擬信號燈的開放與關(guān)閉,同時為電機車提供裝礦和卸礦溜井等目標位置。在上位機上實時顯示電機車在運輸巷道內(nèi)的位置、機車序號、車速及信號燈、道岔和區(qū)間的狀態(tài)等信息。系統(tǒng)具有故障聲光報警功能,能實時顯示故障的具體位置。同時自動記錄運行過程數(shù)據(jù),生成管理報表,需要時可對電機車運行軌跡進行模擬回放。系統(tǒng)對電機車運行信息全程跟蹤、自動開放運行信號、轉(zhuǎn)動道岔、檢測道路狀態(tài),指揮列車安全運行,符合故障導(dǎo)向安全原則,實現(xiàn)無人駕駛電機車的全自動智能調(diào)度。
信集閉控制系統(tǒng)采用集散式計算機控制系統(tǒng),系統(tǒng)由上位機和下位機構(gòu)成:上位機設(shè)在地面主控制室,下位機設(shè)在井下被控對象附近,兩者之間的控制命令及被控對象的狀態(tài)信息均由光纖通信介質(zhì)完成數(shù)字信號傳輸。主控室配備操作臺,操作臺配備工業(yè)控制計算機管理計算基于電機車的精確定位數(shù)據(jù),信集閉控制系統(tǒng)進行邏輯運算,自動控制井下轉(zhuǎn)轍機和信號燈執(zhí)行相應(yīng)指令,實現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備一鍵式自動集中控制。地面操作工根據(jù)電機車的位置數(shù)據(jù)和信集閉系統(tǒng)的信號指令,遠程遙控電機車使其自動運行到裝、卸礦溜井。電機車全程閉鎖運行,避免追尾事故的發(fā)生,同時將運輸系統(tǒng)的監(jiān)控信息上傳地面調(diào)度指揮中心,隨時反映各設(shè)備的工作狀態(tài)。
(1)實時監(jiān)測機車運行位置信息:通過RFID 安裝位置監(jiān)測機車讀取標簽時的位置信息,再根據(jù)速度傳感器讀取電機齒輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)計算機車行走距離,通過坐標的形式實現(xiàn)機車的精準定位。
(2)實現(xiàn)區(qū)間定速巡航:上位機依據(jù)RFID 標簽的位置信息實現(xiàn)區(qū)間定速巡航功能。
(3)自動升降弓:根據(jù)機車位置信息在架弓線連接處、卸載站,放礦平臺等易掛弓等重要節(jié)點實現(xiàn)自動升降弓功能。
(4)道岔自動控制:根據(jù)機車位置信息及行駛方向?qū)崿F(xiàn)岔道轉(zhuǎn)轍機正確變道。
(5)視頻自動切換:無人駕駛系統(tǒng)視頻監(jiān)控由車載視頻及主要位置視頻組成,為保障機車安全運行,需跟據(jù)機車位置信息自動切換各個位置視頻,實現(xiàn)掉道監(jiān)測功能。
(6)自動對車:在放礦過程,礦車箱與振動臺板的對齊過程可由機車位置信息來實現(xiàn)。
探討定位系統(tǒng)在有軌機車無人駕駛中的應(yīng)用,構(gòu)建安全、可靠的機車定位系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)平臺、定位標簽與讀寫器、現(xiàn)場總線與通信協(xié)議、PLC 等,以實現(xiàn)有軌機車無人駕駛精確定位,在無人駕駛系統(tǒng)的控制、道岔變道、安全運行等方面具有重要意義。