張偉峰

（霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

巷道掘進(jìn)是煤炭開采主要工序，巷道掘進(jìn)效率會直接影響煤炭生產(chǎn)[1-2]。從上世紀(jì)70年代開始，煤炭企業(yè)不斷引進(jìn)先進(jìn)的巷道掘進(jìn)設(shè)備及掘進(jìn)技術(shù)，巷道掘進(jìn)方式也有由人工掘進(jìn)、炮掘向機(jī)械化、自動化掘進(jìn)方向發(fā)展[3-5]?，F(xiàn)階段礦井普遍采用綜掘方式，操作人員始終處在掘進(jìn)迎頭，掘進(jìn)過程中粉塵、噪音等會給影響作業(yè)人員身體健康；同時掘進(jìn)期間伴隨有瓦斯異常涌出、頂板垮落、沖擊地壓、涌水等風(fēng)險，給掘進(jìn)人員生命安全帶來較大威脅。通過智能化建設(shè)可達(dá)到提高巷道掘進(jìn)效率、減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量并提升礦井安全管理水平目的，對實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)具有顯著促進(jìn)意義[6-8]。若直接摒棄礦井已有掘進(jìn)機(jī)并重新引進(jìn)先進(jìn)的、智能化掘進(jìn)設(shè)備，雖然可直接實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)智能化，但是也面臨投入過高、經(jīng)濟(jì)性差、資源浪費(fèi)等問題，依據(jù)現(xiàn)有的掘進(jìn)設(shè)備通過添加智能化控制模塊、設(shè)備及控制軟件實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)智能化改造，不僅可降低智能化改造成本而且可達(dá)到提升掘進(jìn)效率及安全保障能力目的[9-10]。為此，以李雅莊礦使用的EBZ260綜掘機(jī)為例，提出增加掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能化控制，并對智能化改造過程及現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以期為其他礦井類似掘進(jìn)機(jī)智能化改造工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 綜掘機(jī)智能化控制分析

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)由設(shè)備端系統(tǒng)、遠(yuǎn)程端系統(tǒng)、通信小車系統(tǒng)三部分組成，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1?？蓪?shí)現(xiàn)本地操作、視距遙控、遠(yuǎn)程操作、地面操作4種操作模式。設(shè)備端系統(tǒng)包括掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)、車載高清攝像儀、語音對講設(shè)備、安全防護(hù)傳感器、遙控收發(fā)裝置等；遠(yuǎn)程端系統(tǒng)包括井下遠(yuǎn)端操作室、隔爆兼本安型計算機(jī)、隔爆兼本安型計算機(jī)、礦用本質(zhì)安全型顯示器等；通信小車包括無線收發(fā)基站、定向MIMO天線等組成。井下遠(yuǎn)程操控室通過光纖端口接入井下環(huán)網(wǎng)傳輸至地面，通過地面也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。4種操作模式相互鎖定，模式切換具備不同等級優(yōu)先級，保證各種操作模式的施工安全性。

掘進(jìn)機(jī)配備自動化控制系統(tǒng)，具有自動控制開機(jī)、停機(jī)和啟停自動割煤功能。根據(jù)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)在井下就地操作、視距內(nèi)遙控操作、集控中心遠(yuǎn)程操作和地面集控中心遠(yuǎn)程操作掘進(jìn)設(shè)備作業(yè)。

圖1 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程無線遙控能夠控制掘進(jìn)機(jī)各種動作功能：如油泵電機(jī)啟停、截割電機(jī)啟停，液壓部分工作（截割升降、截割回轉(zhuǎn)、鏟板升降、行走、后支撐升降、機(jī)載支護(hù)工作等）一運(yùn)啟停、二運(yùn)轉(zhuǎn)載皮帶啟停、機(jī)載除塵設(shè)備啟停等，遙控器應(yīng)包含掘進(jìn)機(jī)所有操作功能，遙控器有手柄，遙控器操作按鈕布局必須方便司機(jī)操作，且具有斷電和通訊中斷保護(hù)功能。

控制模式應(yīng)區(qū)分優(yōu)先權(quán)限，人工手動操作優(yōu)先于自動截割模式，即操作人員可在自動截割模式下進(jìn)行人工干預(yù)。

2 綜掘機(jī)智能化控制系統(tǒng)

2.1 掘進(jìn)自動控制

智能化掘進(jìn)設(shè)備改造應(yīng)增加智能掘進(jìn)自動控制系統(tǒng)一套，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、坡度追蹤、自動截割和截割軌跡記憶功能等功能要求；具備齊全的配套裝置，包括傳感器、轉(zhuǎn)換器、控制器、執(zhí)行器、系統(tǒng)分析處理等。

遠(yuǎn)程平臺具備三維地質(zhì)模型構(gòu)建畫面，能夠顯示地質(zhì)信息，物探鉆探情況、地質(zhì)揭露實(shí)際信息。此項(xiàng)功能要求預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接口，可與智能化物探鉆探設(shè)備連接并接受數(shù)據(jù)顯示到三維畫面中，并且要求預(yù)留手動輸入功能，便于輸入物探鉆探成果、修改數(shù)據(jù)和輸入實(shí)際揭露地質(zhì)情況。掘進(jìn)機(jī)三維仿真系統(tǒng)，真實(shí)顯示和還原掘進(jìn)機(jī)工作場景。采用三維動畫設(shè)計，遠(yuǎn)程可視功能、數(shù)據(jù)上傳功能、地面集中控制及井下遠(yuǎn)程操作站控制。具體智能化改造及新增設(shè)備見表1。

表1 智能化改造及新增設(shè)備

2.2 工況監(jiān)測及故障診斷預(yù)警

增加設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測及推送、超欠挖預(yù)警，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備之間的信號交互和聯(lián)鎖控制。設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測及推送包括工況狀態(tài)下電壓、電流、流量、油壓、油溫、油位、粉塵、瓦斯、水等數(shù)據(jù)在線監(jiān)測故障診斷預(yù)警，在原有基礎(chǔ)上增加油溫傳感器、油位傳感器、粉塵傳感器、濕度傳感器等的檢測傳感器及相關(guān)配套零部件。

智能化掘進(jìn)機(jī)具備粉塵、瓦斯、水等智監(jiān)測功能，所有數(shù)據(jù)結(jié)果要求在顯示畫面準(zhǔn)確顯示，并且按照國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定超限報警數(shù)值和警戒停機(jī)數(shù)值。根據(jù)瓦斯?jié)舛日{(diào)節(jié)截割牽引速度，根據(jù)粉塵濃度調(diào)節(jié)除塵裝置噴霧量。掘進(jìn)設(shè)備具備工況在線監(jiān)測、故障診斷和報警功能，實(shí)現(xiàn)對工況狀態(tài)下電壓、電流、流量、油壓、油溫、油位等數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測：可實(shí)現(xiàn)對鏟板星輪、第一運(yùn)輸機(jī)、第二運(yùn)輸機(jī)、截割電機(jī)、油泵電機(jī)工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及掘進(jìn)機(jī)電氣故障自診和定期維修保養(yǎng)提示及信息遠(yuǎn)程推送功能。

工作面安全預(yù)警：包括超欠挖預(yù)警，預(yù)警值可設(shè)置，預(yù)警信息實(shí)時顯示。通過截割頭相對于機(jī)身和機(jī)身相對于巷道的位姿信息，在上位機(jī)上實(shí)時顯示超欠挖預(yù)警信息，懸臂與鏟板防碰撞以及掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與側(cè)幫接近預(yù)警。

2.3 遠(yuǎn)程控制平臺智改造

增加地面遠(yuǎn)程控制平臺、工作面遠(yuǎn)程控制平臺及配套系統(tǒng)軟件，集控平臺包含掘、錨、支、運(yùn)、探的監(jiān)控數(shù)據(jù)接入功能，具備一鍵啟停、智能操控、智能聯(lián)動、閉鎖控制等功能。具備高性能計算機(jī)、嵌入式操作面板、語音通話設(shè)備、交換機(jī)、高清顯示器等配套設(shè)施及安裝附件。

通過遠(yuǎn)程集控平臺實(shí)現(xiàn)掘、錨、支、運(yùn)、探的遠(yuǎn)程可視化操作（系統(tǒng)預(yù)留錨、鉆探設(shè)備及滑移式液壓支架的監(jiān)控數(shù)據(jù)接入等功能，滿足智能化遠(yuǎn)程可視化操作要求）。平臺具有運(yùn)輸設(shè)備系統(tǒng)接入功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多部帶式輸送機(jī)集中控制。具備與掘進(jìn)設(shè)備的雙向通信，與掘進(jìn)設(shè)備智能聯(lián)動和閉鎖功能；具備煤流檢測功能，宜實(shí)現(xiàn)載荷聯(lián)動。帶式輸送機(jī)與采區(qū)皮帶搭接時，實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。

遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)應(yīng)配備可視化監(jiān)控主機(jī)，滿足視頻信號同時傳輸需要；選用具有高清透塵功能的攝像儀，實(shí)現(xiàn)對包括轉(zhuǎn)載點(diǎn)、井下遠(yuǎn)程集控平臺等在內(nèi)的工作面環(huán)境全方位實(shí)時視頻監(jiān)控。采集的視頻信息應(yīng)滿足安全生產(chǎn)需要。同時應(yīng)具有抓圖、錄像、回放、存儲和拷貝等功能。

建立設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，如建立故障類型數(shù)據(jù)庫、故障知識數(shù)據(jù)庫、故障規(guī)則數(shù)據(jù)庫、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)庫等,通過采集、分析、對比智能掘進(jìn)裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自評估。

掘進(jìn)機(jī)操作臺和后方操作臺、地面操作中心具有語音通話功能。

2.4 設(shè)備通訊改造

增加通訊設(shè)備一套，包含機(jī)載無線收發(fā)器、無線基站、備用電源、礦用光纜、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等，要求兼容5G和wifi6，遠(yuǎn)控指令及數(shù)據(jù)傳輸時延不大于150ms。配光纖熔接機(jī)1臺。

掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)采用有線傳輸和無線傳輸相結(jié)合的方式，實(shí)時上傳掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用“無線+有線”的組合方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。通訊速率應(yīng)滿足地面遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)工作面作業(yè)的帶寬要求,一般不低于150 Mbps/s；有線傳輸應(yīng)采用千兆或萬兆光纖網(wǎng)絡(luò)。

通訊接口一般采用以太網(wǎng)、CAN、RS485等模式,智能掘進(jìn)設(shè)備接入應(yīng)支持Modbus、DL/667、DL/T860等通訊標(biāo)準(zhǔn)。遙控和井下遠(yuǎn)控指令及數(shù)據(jù)傳輸時延不應(yīng)大于150 ms。集控中心交換機(jī)應(yīng)與礦上環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的核心選型保持一致，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信號與視頻信號分別傳輸，滿足后期就近接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)的不同環(huán)，不得共用同一芯光纖。

預(yù)留能將本系統(tǒng)接入到礦井自動化控制系統(tǒng)的接口和協(xié)議，開放數(shù)據(jù)字典，能夠通過井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上傳本系統(tǒng)采集的所有數(shù)據(jù)，便于礦井自動化集成。

2.5 人員定位區(qū)域報警

系統(tǒng)應(yīng)具有危險區(qū)域防護(hù)、監(jiān)測功能，當(dāng)危險區(qū)域有人接近時，設(shè)備發(fā)出報警信號；當(dāng)有人進(jìn)入時，設(shè)備自動停機(jī)閉鎖，并發(fā)出報警信號。掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)具備危險區(qū)域人員接近識別功能，人員接近危險區(qū)域時，實(shí)時報警；人員進(jìn)入到危險區(qū)域內(nèi)時，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)保護(hù)停機(jī)。停機(jī)后，需人工復(fù)位方可再次啟動掘進(jìn)設(shè)備。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通過安裝在掘進(jìn)系統(tǒng)上的礦用本安型低照度攝像頭（掘進(jìn)機(jī)機(jī)身前端左右兩側(cè)各1個，機(jī)身中部1個（360°云臺），機(jī)尾1個，二運(yùn)、三運(yùn)各1個，檢測機(jī)載臨時支護(hù)動作姿態(tài)1個高清透塵攝像頭，井下集控室內(nèi)1個，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)系統(tǒng)工作區(qū)域、危險區(qū)域和掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的圖像視頻采集全覆蓋。視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)選擇需要顯示任意區(qū)間段的視頻畫面、視頻顯示器能夠以多畫面顯示工作面情況、云臺旋轉(zhuǎn)、紅外補(bǔ)光、彩色成像等功能。視頻圖像存儲不低于1個月,存儲系統(tǒng)自帶冗余功能，保障視頻數(shù)據(jù)的可靠保存。

3 自動姿態(tài)定位及截割

掘進(jìn)機(jī)自動控制系統(tǒng)配置車輛精確定位導(dǎo)航和位姿監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時測量車身和工作裝置在巷道空間內(nèi)的具體位置信息。車載攝像儀、狀態(tài)監(jiān)測傳感器配合遠(yuǎn)程信號傳輸系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控以及信號上傳地面監(jiān)控中心。掘進(jìn)機(jī)自動控制系統(tǒng)具備自動截割功能，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)斷面定義及自動成型。成型過程中具備自主糾偏、負(fù)載自適應(yīng)、防干涉及危險區(qū)域人員預(yù)警等功能。

3.1 定姿定位系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)智能化的核心關(guān)鍵技術(shù)，由掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)和截割頭定位技術(shù)組成。掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)采用三維激光掃描儀與激光陀螺慣性導(dǎo)航融合技術(shù)，具體導(dǎo)航定位系統(tǒng)框圖見圖2所示。其中三維激光掃描儀通過內(nèi)置的激光雷達(dá)掃描巷道兩側(cè)及掘進(jìn)機(jī)后方放置的激光標(biāo)靶（三維掃描儀檢測示意圖見圖3所示），將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送至GPU圖像處理器進(jìn)行模型構(gòu)建及計算。CPU處理器通過高速運(yùn)算將三維激光掃描儀計算數(shù)據(jù)與激光陀螺慣性導(dǎo)航儀的航姿信息（航向角、俯仰角、側(cè)傾角、加速度等）進(jìn)行融合處理，得到掘進(jìn)機(jī)車身的姿態(tài)及位置信息。

圖2 導(dǎo)航定位系統(tǒng)框圖

圖3 三維掃描儀檢測示意圖

車載控制器綜合分析車身位置信息結(jié)合截割臂升降、回轉(zhuǎn)、伸縮油缸位移傳感器參數(shù)，得到截割頭在巷道內(nèi)的位置信息。油缸位移測量采用高精度（萬分之二）磁致伸縮傳感器，全封閉設(shè)計，堅(jiān)固耐用。截割頭位置信息是斷面自動截割成型的重要數(shù)據(jù)信息。車身姿態(tài)和位置信息是進(jìn)行車身自主糾偏和防碰撞的重要數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)通過PLC結(jié)合構(gòu)建完畢的掘進(jìn)機(jī)模型可以計算得出截割機(jī)構(gòu)的俯仰角α和回轉(zhuǎn)角β。具體截割頭位置計算示意圖見圖4所示。

圖4 截割頭位置計算示意圖

由角α和角β結(jié)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量的截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)（x,y,z）和設(shè)備的航向角θ可以計算出截割頭在巷道中的絕對位置（x1,y1,z1）。

3.2 斷面成形路徑規(guī)劃

巷道頂板一般為弧頂、平頂、斜頂式3種，復(fù)雜程度高的僅在弧線段數(shù)、直線段數(shù)和直線斜率方面有區(qū)別?；谝陨咸匦裕弥本€按間距分段和弧線按角度分段相結(jié)合的方法對斷面的輪廓在PLC內(nèi)進(jìn)行模型搭建。斷面自動成形分為逐行掃描階段和邊界掃描階段。逐行掃描完成斷面的初成形，邊界掃描完成斷面的精細(xì)化邊界修幫，巷道掘進(jìn)斷面形成路徑見圖5所示?？刂浦鹦袙呙栝g距可以對成形斷面的平整度進(jìn)行調(diào)整。

圖5 斷面成形路徑

3.3 負(fù)載自適應(yīng)控制技術(shù)

井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巖石硬度和節(jié)理發(fā)育狀況在不同區(qū)間和斷面的不同位置處皆不相同且無規(guī)律可循，截割速度必須根據(jù)地層的不同情況實(shí)時調(diào)整速度，否則速度不匹配會出現(xiàn)效率降低和機(jī)器振動過大的現(xiàn)象。截割升降油缸或截割回轉(zhuǎn)油缸壓力過大或過小、截割電機(jī)電流過大、機(jī)身航向角變動頻繁這些數(shù)據(jù)的變化均能體現(xiàn)出速度與工況不匹配，這些參數(shù)統(tǒng)一作為負(fù)載自適應(yīng)控制技術(shù)的輸入，PLC通過計算比較這些參數(shù)之間的關(guān)系得到負(fù)載匹配率η，根據(jù)η合理調(diào)整目標(biāo)方向的截割升降油缸電磁閥和截割回轉(zhuǎn)電磁閥的控制電流，使設(shè)備能夠平穩(wěn)運(yùn)行，減少機(jī)器因超負(fù)荷運(yùn)行帶來的強(qiáng)烈震動，提高截割效率。

圖6 負(fù)載自適應(yīng)關(guān)系函數(shù)

負(fù)載自適應(yīng)關(guān)系函數(shù)見圖6，其中P1為截割升降油缸壓力，P2為截割回轉(zhuǎn)油缸壓力，Power_M為截割電機(jī)功率，dθ為機(jī)身航向角和加速度的變化率。

3.4 姿態(tài)自調(diào)整及防撞技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)施工過程中，一方面受截割巖石的反作用力影響，機(jī)器位置會發(fā)生移動，當(dāng)偏移量過大時將影響自動截割的作業(yè)范圍，無法完成預(yù)設(shè)斷面的成形，此情形稱為情形A。另一方面由于機(jī)器固定位置截割時成形形狀為球形，為提高整體成形的平整度，必須使機(jī)器進(jìn)行前進(jìn)和后退方向的調(diào)整來保證截割頭擺動過程中進(jìn)尺深度的一致，此情形稱為情形B?？刂破鲗?shí)時計算車身4個角的坐標(biāo)信息，判斷距離巷道側(cè)幫的距離信息，當(dāng)距離低于閾值時觸發(fā)報警，此情形稱為情形C。

3種情形均觸發(fā)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)自調(diào)整策略，機(jī)器行走方式為履帶式，經(jīng)過分析履帶式行走的特性，決定在姿態(tài)自調(diào)整控制中采用雙側(cè)履帶行走速度的絕對值保持相等的方式以保證模型的準(zhǔn)確性。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

李雅莊礦設(shè)定產(chǎn)能為240萬t/a，現(xiàn)生產(chǎn)主要集中在1、2號煤層，井下現(xiàn)有6個掘進(jìn)工作面，均采用EBZ260綜掘機(jī)掘進(jìn)，以往單個掘進(jìn)工作面需要安排5～6人共同操作，存在工作人員作業(yè)效率低、地面無法及時掌握掘進(jìn)迎頭情況等問題。因此，李雅莊礦首先對2306運(yùn)輸巷內(nèi)使用的EBZ260綜掘機(jī)進(jìn)行智能化改造，綜掘機(jī)具備有自主導(dǎo)航、坡度追蹤、自動截割等智能控制功能，綜掘機(jī)通過單人操作即可同時地面監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場情況。對綜掘機(jī)進(jìn)行智能化改造后，具體現(xiàn)場應(yīng)用情況見圖7所示。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2306運(yùn)輸巷掘進(jìn)機(jī)通過智能化改造后，掘進(jìn)迎頭30～50 m范圍內(nèi)無需安排作業(yè)人員值守，操作人員均在相對安全的位置，從而有效降低迎頭粉塵、噪音、頂板冒落等給工作人員身體及健康等帶來威脅。巷道掘進(jìn)進(jìn)尺仍可保持每月300 m，可實(shí)現(xiàn)安全高效掘進(jìn)。

5 結(jié)束語

智能化是實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)的主要途徑之一，實(shí)現(xiàn)綜掘機(jī)智能化控制，將作業(yè)人員由環(huán)境惡劣、安全風(fēng)險較高的掘進(jìn)迎頭解放出來，對提高巷道掘進(jìn)安全保證能力以及作業(yè)人員身體監(jiān)控等均有顯著促進(jìn)意義。為此，文中以李雅莊礦井下使用的EBZ260綜掘進(jìn)為例，對掘進(jìn)機(jī)智能化改造進(jìn)行分析，并具體探討智能化過程及智能化控制系統(tǒng)功能。智能化改造完成后操作人員在遠(yuǎn)離掘進(jìn)迎頭位置即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時地面監(jiān)控中心可掌握掘進(jìn)迎頭現(xiàn)場情況，巷道掘進(jìn)仍可保持每月300 m進(jìn)尺，改造效果顯著。