山特维克MB670掘锚一体机智能化掘进控制系统研究与应用.pdf

技术与经济山特维克MB670#掘锚一体机智能化掘进控制系统研究与应用牛蓄源，王刚（中煤西北能源有限公司机电管理部，内蒙古鄂尔多斯0 1 7 2 0 0）摘要：本文介绍了中煤西北能源有限公司山特维克MB670掘锚一体机智能化改造方案及实施效果，分析了存在的问题,以期能对智能化掘进工作面建设提供有益借鉴。关键词：掘锚一体机；智能化掘进控制系统中图分类号：F406.3;TD353.6山特维克MB670掘锚一体机在我国煤矿的高效掘进中应用广泛，性能和可靠性得到了使用单位的普遍认可。煤矿智能化建设逐步推进，采、掘工作面智能化建设成为重点。对广大山特维克MB670掘锚一体机用户而言，对掘锚机进行智能化改造成为必须面对和解决的问题。我们相对较早地开展了此项工作，已完成了调试,进人了应用阶段,取得了较满意的效果。1研究应用背景为满足工作面安全高效的推进要求，国家发改委、国家能源局、应急管理部等8 部委联合出台了关于加快煤矿智能化发展的指导意见，内蒙古自治区、陕西省等产煤大省出台了一系列政策和要求,明确指出提高智能化快速掘进系统技术和装备水平，对推动煤炭行业高质量发展和建设智慧矿山具有重要意义。我公司在用的山特维克MB670掘锚一体机共有5台,为矿井掘进的主要机型。中煤集团明确要求在2022年底前所属矿井采、掘工作面全部实现智能化开采。中煤西北能源有限公司于2 0 2 1 年已全面启动采、掘工作面建设。智能化掘进工作面建设是以提高掘进工作面安全性、降低劳动强度、提高掘进施工效率和施工质量为出发点，利用智能传感技术、定位定向技术、自动截割技术、监测监控技术、无线传输技术、远程控制技术和多信息远程重现技术，实现可远程操作人工干预的掘锚一体机智能掘进控制系统。远程集控系统应包括地面远程控制平台、工作面远程控制平台和视距内遥控装置，主要解决掘进工作面设备整机工况参数监测、工作面视频远程监控、掘锚一体机自动截割、人员安全预警、机身自主定位导航、远程可视化控制等技术难题，从而将工作面环境、设备和人员有机和谐地统一起来，实现“安全、高效、绿色 掘进。106文献标识码：B进行研发，根据煤矿复杂地质条件的使用状况及设备工况特点，深人分析快掘工作面多机作业的施工工艺，开展多机协同控制技术的研究、试验，重点解决了信息的可视化、显示的动态化、故障诊断的系统化、设备运维的远程化、系统运行的决策化和一键启停、自动截割、自主定位等技术难题。设计出一套掘锚一体智能化掘进控制系统，实现快掘成套装备数据的高速、可靠、稳定的传输及工作面视频的远程再现；构建各单机设备的感知网络，赋予设备感知自身及外部环境能力；建设工作面和地面集控平台，实现掘、支、运及供电的集中化、操作的少人化 2 。2.2具体方案研究遵循“方案论证一技术原理研究一系统硬件、软件开发一实验室试验一原理样机设计一试生产一应用效果验证一系统改进设计一现场应用”的技术路线和研究思路，保证实现项目总体目标。上述技术路线立足于西北能源公司及山西天地煤机装备有限公司现有的技术基础和开发团队，借助山西天地煤机采掘装备国家工程实验室的试验和调试能力，如期实现既定目标。实施方案如下。2.2.1掘锚一体机电控系统国产化改造目前，矿上选用山特维克MB670掘锚一体机，经过多年实践，生产班工作人员已经充分熟悉该掘锚机的使用方法。目前存在以下问题：进口电气备件周期长、价格贵，一些电气部件已经停产；电控系统协议不对外开放，无法满足掘进工作面自动化、信息化发展要求；电控系统硬件已经固化，没有通信接口与远程设备文章编号：1 0 0 8-0 1 55(2 0 2 3)1 0-0 1 0 6-0 52技术方案2.1总体思路在现有掘锚一体机电控系统自动化技术的基础上交互数据。为实现采掘智能化，需要对原装电控系统进行标准化改造。为了不影响整机的防爆特性,改造的电气控制箱用原来的防爆壳体，内部电气部件重新选型和设计，控制程序按功能要求编写。显示箱、急停按钮、照明灯、语音报警等外围电气件更换为与电气控制箱兼容的国产件。遥控系统重新配置3台遥控器。为实现掘锚一体机智能化和更多控制功能，需预留数字化通信接口。MB670掘锚机电控系统技术参数如表1、表2 所示。表1 掘进机技术参数型号MB670总功率(kW)546电源电压(V)1140电源频率(Hz)50表2 电机数量和主要技术参数电机数量和截割电机水冷式，收集部、装载部和液压泵电机主要技术参数鼠笼电机额定功率(kW)270额定电压(V)1140额定电流(A）168额定功率因数(cos)0.86额定转速(r.p.m)1484起动扭矩/额定扭矩4367/1747(Nm)起动电流/额定电流(A)最大扭矩/额定扭矩(Nm)频率(Hz)额定频率(Hz)绝缘等级接线方式防爆的类型和标准防护等级冷却方式允许温升过热保护2.2.2掘锚一体机电控系统智能化改造融合现有的AI、物联网、大数据技术，丰富远程集控功能，提高远程集控可视化水平，实现掘锚一体机的自主决策和运行，实现掘进工作面全息感知与场景再现，能够对井下掘锚一体机进行远程集中监控，达到人一机协同作业的目标，结合井下工作场景，主要研究以下关键技术：掘锚一体机自动截割a掘锚一体机具有截割轨迹记忆功能。实现截割滚筒沿系统设置的截割路径程序或示范记忆轨迹自动进行截割作业，同时记录截割实时轨迹。b智能掘进设备应具备自动截割功能。对常见的巷道断面形状，可以根据控制中心上位机输人的参数，结合截割滚筒精准定位自动计算特征点，控制截割滚筒作业运动曲线。根据位姿、工况数据，考虑煤层的硬度结合支护要求，设计合理的截割路线。自动截割应具有自动截割成形功能，控制掘锚一体机截割滚筒按照设定路径和步距自动完成断面截割 。c掘锚一体机定位截割。根据巷道实际条件，记忆截割路径和自动截割控制工艺，具备实现巷道全断面1 m的定位截割，掘进巷道断面自动成形控制精度1 0 cm/20m。d实现物联感知的智慧截割。包括截割自适应匹配,截割速度匹配,截割升降、掏槽速度与截割电流、冲击压力的匹配。掘锚一体机坡度追踪掘锚一体机应具备坡度追踪功能，在集控平台实时显示坡度，满足坡度偏差不超过1%o的要求，具备工作面坡度检测和坡度追踪实时显示功能。各种坡度数据能被应用到自动截割功能中，可根据矿方设计巷道的坡度腰线实现自动截割。运输机电动机436114024.50.851445571/2381092/168147/24.54370/1747595/23850505050HH接线盒接线盒EexDiEexdelIP55IP54水冷水冷155停机160停机定子绕组热敏电阻PTC电阻PT100传感器1321140820.8614842210/849516/823835/14755050F接线盒EeddIM2ATEXIP54水冷140停机PTC电阻操控模式要求智能化掘进设备应具有就地控制、遥控和远程控制等多种控制方式，同时应满足以下要求：a各控制方式相对独立，任何控制方式均应满足控制工作面所有智能设备的启停、姿态调整、监测工况等要求。b控制方式应实现相互切换功能。实现遥控、井下远程控制、地面远程集控等控制方式下的远程集中控制、启动相互闭锁，并具备一键紧急停机功能。控制方式转换应由授权人员操作，控制状态应在系统界面有明确显示。c控制方式间应具备启动闭锁功能。在任何时刻、任何情况下，启动指令只能一处完成。d在远程控制状态下，当通信发生故障时，智能掘进设备应立即停机；待工作人员现场复位后，可转换为就地控制方式运行。e视距无线遥控满足不小于50 m距离，且可靠遥控设备需要。f控制中心满足距现场不小于1 0 0 0 m距离能远程操作需要。g遥控器操作按钮布局必须方便司机操作，具有断电和通信中断保护功能。h掘进设备应具有自动控制开机、停机和启停自动割煤功能。根据授权，实现可人工干预的自动化掘进作业。i可按日期查询最近的截割历史轨迹。工况监测及故障诊断预警要求a掘进设备具备完善的传感器、执行器及控制器，能实现单系统或单设备的远程自动控制、工况在线监107系统或单设备启停、姿态调整和自动运行等功能，还应实现可由用户维护的报表管理、信息查询、远程维护、测、故障诊断功能。b智能化掘锚一体机要求具备工作面粉尘、瓦斯、智能化监测功能,并具备监测环境数据分析功能,所有数据结果要在显示画面准确显示，并按照国家标准设定超限报警数值和警戒停机数值。实现掘、支、锚、运和除尘装置启停等工序的智能联动，根据瓦斯浓度调节截割牵引速度，根据粉尘浓度调节除尘装置喷雾量。c掘进设备应具备工况在线监测、故障诊断和报警功能，实现对工况状态下电压、电流、流量、油压、油温、油位等数据在线监测。监测到异常数据时,发出报警语音，自动停止设备运行，并在人机界面实时显示报警信息。d通过位移传感器、压力传感器、温度传感器、甲烷传感器监测掘锚一体机工作参数，实现超工况运行检测，液压系统工作压力、油温油位、传动系统减速机油温保护等；冷却系统冷却水流量、压力（或压差）检测，与液压系统、电机温度匹配，避免液压系统温升过高、电机过热。控制平台及要求a硬件系统组成集控中心硬件系统组成如图1 所示：内部集成3台控制主机、6 台2 1 寸宽屏显示箱、嵌人式操作面板、键鼠一体式不锈钢键盘、音箱、麦克风、照明灯、摄像仪和急停按钮等。集控中心顶部和后部防水设计，整体布局科学，采用高强度喷塑金属外壳、拼接式框架结构、导轨式有机玻璃门窗等。将操作台、防爆显示器等设备合理布局后置于其中，大屏独立显示，给操作人员提供安静、优良的工作环境。集控中心可机载于自移机尾实现随掘移动，也可放置于碱室或风门处，借助网络通信信号实现工作面所有设备的远程集中控制 4生显示屏127V组合开关b软件系统组成平台软件设计如下，采用.Net平台+基于OpenCL的3D开发，软件架构如图2 所示。采用基于.Net框架的高级编程语言,通过TCP/IP取得下位机数据，对数据进行动态展示和存储。利用108OpenGL技术将3D模型动作同步关联设备数据，实现软件的虚拟现实化。视频采用海康威视的SDK进行二次开发，实现了视频预览、抓图、录像存储等功能。数据处理工.Net海康SDK文视频处理图2 平台软件架构示意图控制平台软件人机界面规划如图3所示。图3控制平台软件人机界面规划图控制平台软件功能设计如下：第一，上3屏幕为视频显示，下3屏幕为数据及3D动作显示。第二,具有设备数据实时存储功能。第三，存储的数据能按照日期进行查询。第四，能通过3D模型模拟设备的动作。第五，能对井下设备发出控制指令。c系统功能要求第一，通过掘进工作面远程集控平台，基于感知信息对掘进工作面进行远程集中控制，实现掘、运、探的远程可视化操作。第二，集控平台具备对巷道掘进设备进行远程操控的功能，能实现一键启停及智能操控。生第三，远程集控系统应包括设置地面远程控制平台、工作面远程控制平台和视距内遥控装置；应配置高一显示屏显示屏PC交换机集控台控制箱图1 集控中心硬件系统组成示意图3D动作模拟OpenGL3D显示牌性能计算机、嵌入式操作面板和语音通话设备等，数量和性能满足工作面远程控制和监测等功能要求。PC第四，远程集控系统应具备遥测、遥信、遥控、遥调的基本远动功能，实现智能掘进设备的联动控制及单光纤接线盒矿方环网平台操作面板故障分析等高级管理功能。第五，远程集控系统应实时监测智能掘进设备姿态、工况数据和巷道成形数据，宜运用数字李生技术，实现掘进工作面真实场景再现。第六，远程集控系统应具备设备启动报警、设备位置和姿态异常报警、保护动作报警、电压和电流越限报警、人员接近危险区域等报警功能。报警功能应能在任何时间进行手动试验，设备异常报警和试验报警应在系统内留有事件记录,形成相应报表，以便查询。报警应具有区分级别和种类的功能，显示内容应包括日期时间、设备名称、异常状态描述等；不同级别的报警信息应分色显示，其色可设置；应实现分层分区分类选择显示，以卡片的方式分类提示和选择；应根据报警信号位置切换至指定摄像仪自动录像。第七,远程集控系统应实现系统的自检测，系统内保护装置、通信分站（交换机）、网络设备、辅助电源等设备异常时，关键部件使用寿命到期时均能及时进行语音报警，同时应具有自动推送画面功能。第八，远程集控系统应配备可视化监控主机，满足视频信号同时传输需要；选用具有高清透尘功能的摄像仪，实现对包括转载点、井下远程集控平台等在内的工作面环境的全方位实时视频监控。采集的视频信息应满足安全生产需要，同时应具有抓图、录像、回放、存储和拷贝等功能。第九，智能化控制部分的视频、数据信息要求配备大存储硬盘，具有抓图、录像、回放、拷贝功能。第十，要求掘锚一体机操作台和后方操作台、地面操作中心具有语音通话功能。d地面远程控制中心地面远程控制中心由工控机、飞利浦显示器、全面屏显示器、操作箱、交换机、供电电源、语音通信装置、控制台等组成。地面远程控制中心软件结构显示的内容和井下一致，并下6 个屏的显示内容通过地面的屏进行一致的对应展示，其功能和并下集控相同。地面集控中心如图4所示。图4地面集控中心示意图数据通信设备上安装通信转换设备，把数据由有线转换为无线，由电口转换为光口，通信转换设备自动连接工作面通信网络，与其他设备进行数据的交互和视频的传输。技术要求如下：a智能化掘进设备应具有通信接口，具备通信功能，通信规约向用户和配套设备供应商开放，通信时延满足远程控制要求。b掘进设备应采用有线传输和无线传输相结合的方式，实时上传掘进设备运行数据。c数据传输应采用“无线+有线”的组合方式，能实现数据的远程传输。通信速率应满足地面远程控制掘进工作面作业的带宽要求，一般不低于1 0 0 Mbps/s，有线传输应采用千兆或万兆光纤网络。d通信接口一般采用以太网、CAN、R S 48 5等模式，采用的通信接口及通信协议应满足规范性和通用性要求，实现不同厂家设备的互联互通。智能掘进设备接人应支持Modbus、D L/6 6 7、D L/T 8 6 0 等通信标准。e遥控和井下远控指令及数据传输时延应不大于1 50 ms。f掘锚一体机动态数据信息上传：掘锚一体机设备运行的所有动态数据通过无线WIFI基站传输到履带式转载破碎机，履带式转载破碎机将数据汇总后经光纤传输至远端操作台，然后通过光纤由井下传输到地面监控室的环网，便于操作人员观察设备运行状态。预留出各种数据的传输接口，支持CAN总线、以太网等通信方式，可通过Modbus TCP协议或ModBus RTU等标准协议与第三方控制器进行通信，实现各类数据的交互功能，具备第三方协同控制接口，满足后期工作面设备的集中控制和信息化、自动化建设需求。g与矿井监测监控平台使用以太网接口opcua数据协议上传点位，包括主要设备运行状态、主要传感器检测值、设备控制方式等。工作面人员预警系统电气控制系统预留硬件接口和语音接口，矿方的UWB定位装置可用于设备和人员之间的定位和测距，实时监测人员和设备之间的距离，当人员靠近设备时，设备停机或者发出警报。UWB装置由矿方提供，设备预留与UWB装置的接口。当佩戴标识卡的人员进入设备报警区域时，声光报警器黄灯闪烁，发出“人员靠近请注意”的报警声，设备执行相应的避险动作，同时，人员标识卡发出“嘀嘀”声并振动报警；当佩戴标识卡的人员进入设备停机区域时，声光报警器红灯闪烁，发出“人员危险请停机”的报警声，设备停机避险，同时人员标识卡发出“嘀嘀”声并振动报警。8视频监控系统利用机身上安装的多路高清摄像机，实时采集移动设备工作现场关键视角的视频图像，通过通信网络传输到工作面的监控中心。技术要求如下：a视频监控：通过安装在掘锚一体机上的矿用高清摄像头（掘锚一体机机身前端左右两侧各1 个，机身中部1 个，巷道中央1 个，履带式转载破碎机受料部、卸料109部、锚护区域各1 个）实现工作面图像视频采集。视频监控系统能够根据选择需要显示任意区间段的视频画面，视频显示器能以多画面显示工作面情况、云台旋转、红外补光、彩色成像等功能。视频图像存储不低于8 0 h，存储系统自带亢余功能，保障视频数据的可靠保存。b掘进设备应配备机载高清摄像头，将监测画面实时上传到集控中心。c可视化的视距外远程控制利用无线网络、摄像仪、无线遥控等装置，将操作者的工作区域移至掘锚一体机后方2 0 0 m以上的远程操作台，监测工作面图像信息和设备运行数据，远程遥控掘锚一体机作业。该系统远离工作面，多摄像头无视觉死角，抗震5g、防护等级IP55,具备本地与遥控双系统，收集作业工况与设备运行数据，实现井下与地上互通与少人化，保证安全、可靠、高效运行。组合导航系统组合导航系统由导航主控制箱组件、高精度激光惯性导航系统等组成。其中，导航主控制箱组件固定安装于掘锚一体机机身，用于精确测量掘锚机机身姿态及惯性参数，用于各传感器信号的获取及解算。高精度惯性导航系统固定于电控箱中，能实现捷联导航功能。配套全自动全站仪系统，实现厘米级定位功能。a掘锚机三维姿态实时检测功能，检测精度0.1，系统精度能够自修正，检测误差不需人工标定。b掘锚机持续工作导航偏差1 0 cm/10m,截割断面成形精度误差小于1 0 cm。c具有掘锚机行走跑偏预警功能，当掘锚机跑偏距离大于5cm时，系统发出预警信号，具有自主纠偏功能。d实现机身相对巷道轴线水平偏移量、高度差和在巷道轴线方向上的前进距离及机身相对巷道横滚角、俯仰角和偏航角的实时测量。e激光发射器数据输出端口采用标准通信协议，能与惯性导航实现数据通信。锚护电液控制系统设备加装锚护电液控制系统，对电磁阀动作进行分布式集中控制。控制方式分本机控制和遥控控制两种，系统响应时间应小于2 0 0 ms；控制阀组数量应大于7组。3实施效果本项目以科技创新推动煤炭企业高质量发展为目标，重点研究掘锚一体机智能化控制系统的关键技术，实现了“本机控制、可视远控、超视距远控和地面远控”,达到了掘进工作面的远程管控目的，有效降低了作业人员的工作强度，提高了掘进效率。本项目中突破的关键技术包括：设计了“惯导+全站仪+测距传感器”合理的融合方案，实现了掘进装备的准确定位定姿；研制了“记忆截割+定形定向截割”的多模式截割控制系统，实现了掘进装备一定程度的自主截割；设计了“有线+无线”的数据传输方式，延长了井下数据的可靠传输距离，有效避免了线缆亢杂的问题；设计了“可视化远程管控平台”，平台可获取掘进作业与煤流运输视频，实现了超视距的远程控制。综上所述，本项目成功实现了山特维克MB670的智能化改造，为掘进装备的智能化设计提供了示范。4存在的问题目前，设计制造完成的掘锚一体机智能掘进控制系统实现了以“工作面自动控制为主，监控中心远程干预控制为辅”的工作面自动化生产模式，结合掘进工艺和系统结构，基本完成了掘进工作面的采、掘、运、支、护。但在使用过程中,还存在以下突出问题：下导航问题。惯性导航系统存在累计位置测量误差，且误差不能由惯性导航系统修正，需要开发精度更高的导航系统，解决掘进工作面定位问题。环境感知问题。由于掘进工作面的开拓处于未知环境，为保证掘进工作的顺利进行，需要实时感知掘进装备的周围环境。目前,环境感知技术存在一定局限性，要结合测距扫描的工作原理和巷道煤壁的特殊性，选择合适的测距参数，深入研究适用煤矿巷道的环境感知技术。自主行走问题。掘进装备的自主行走是掘进系统的关键技术，需要开发高效、稳定的自主行走规划控制系统，满足掘进装备的自主行走需求。5结语目前，智能化掘进的研究和应用处于探索阶段,现场应用还存在很多问题，仍需在实践中不断完善。参考文献：1闫仁强.掘锚一体机快速掘进实例及智能化发展规划 J.内蒙古煤炭经济,2 0 1 9(1 1):6 1+39.2王明仲，黄元庭，徐光.探究煤矿智能化综采技术现状及展望 J.内蒙古煤炭经济，2 0 2 2（2 4）：1 45-1 47.3关于加快煤矿智能化发展的指导意见 N.中国煤炭报,2 0 2 0-0 3-0 5(0 0 2).4李首滨.智能化开采研究进展与发展趋势 J.煤炭科学技术,2 0 1 9,47(1 0):1 0 2-1 1 0.作者简介：牛蓄源（1 9 6 6-），男，内蒙古鄂尔多斯人，工学硕士，高级工程师，从事煤矿机电管理工作。110