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地下开采有轨运输系统电机车双机牵引无人驾驶关键技术研究.pdf

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资源描述

1、中国科技期刊数据库 工业 A 110 地下开采有轨运输系统电机车双机牵引无人驾驶关键技术研究 潘海涛 首钢集团有限公司矿业公司,河北 唐山 064400 摘要:摘要:该论文针对地采矿山双机牵引模式电机车实现无人驾驶技术做了针对性的研究,分析双机牵引模式系统架构,结合无人驾驶系统控制需求,制定双机牵引控制系统与无人驾驶系统集成控制方案,针对电机车运输工艺特征,对无人驾驶双机牵引模式进行分类设计,系统的运行能够实现整列车运行状态下对前后电机车的统一控制及独立控制,满足电机车远程模式下无人运输的控制目标。关键词:关键词:地采矿山;有轨运输;电机车无人驾驶;双机牵引 中图分类号:中图分类号:TD64

2、1 背景与意义 矿山行业作为国家发展的支柱性产业,为多种重要领域的发展提供建设基础,传统模式下矿山的开采存在效率低,人员劳动强度高,环境差等诸多不利因素,同时受限于机械化、电气化等技术发展的制约,早期矿山的开采方式多为露天开采,对周边环境造成较大影响,存在资源浪费现象。随着矿山行业的技术力量的发展,以及环保要求的提高,矿山行业开采模式由露天开采逐步转为地下开采1。地采矿山运输工艺为主要生产环节,承担了采区出矿至矿石破碎的运输职责。随着地采相关设备的升级换代,地采矿山的生产任务逐步的提高,伴随而来的运输工艺流程的产能也逐步提升,结合井下空间受限的因素,为了提升牵引力,部分地采矿山采用了双机头牵引

3、整列车的模式,以此提高单列车运输的矿石重量。有轨电机车无人驾驶模式可以将操作人员由井下转移至地表,保证人员和设备的本质安全的同时提高系统运输效率,国家对此系统进行了积极的推广,但是双机牵引模式集成至电机车无人驾驶系统内,需要对控制方式、双机同步等问题进行适配性开发2。2 有轨电机车无人驾驶系统 地采矿山运输水平采用有轨运输的方式,电机车牵引矿车完成整列车的装矿、拉运以及卸矿流程,通过无人驾驶系统的升级改造,可实现电机车所有流程下的远程遥控模式。系统可实现机车自动运行,自动调度,自动装卸矿等多项功能。根据功能需求,对无人驾驶系统做整体架构设计。结合井下环境因素,工艺特征,系统内集成了控制中心、电

4、机车控制等主体子系统,同时对无线通信,视频监控以及信集闭等子系统进行设计与适配。主要架构如图 1:图 1 有轨电机车无人驾驶系统架构图 2.1 控制中心系统 控制中心作为有轨电机车无人驾驶系统的大脑,负责井下电机车、放矿机、转辙机等所有相关设备的远程遥控。与井下各个子系统建立通信连接,实时采集各工艺点位的视频和控制数据,将数据作统一处理和分析,开发出合理的人机交互界面,以工艺流程作为主线,对井下各类设备的运行状况进行实时展示。控制中心的配置应用,可将井下的电机车司机、放矿工等操作人中国科技期刊数据库 工业 A 111 员全部转移至地表操作,从根本上改善人员的作业环境。控制中心内设计控制操作台和

5、调度操作台,控制操作台集成独立的控制系统,以PLC作为核心控制器,同时配置操作手柄和转换开关,结合电机车、放矿、卸矿等操作需求,按照一键启停的理念,对操作面板进行精简化设计,相关信号采集到操作台 PLC,由 PLC 做统一运算处理,将操作信号翻译成对应的控制指令,采用通信的方式,将控制指令给定至电机车、放矿机等现场控制系统。控制操作台和调度台配置客户机,采用 C/S架构,实时采集服务器数据,按照工艺流程设计人机交互界面,对各类数据和设备状态进行展示,操控人员实时掌握井下设备的运转信息。控制系统服务器与井下主站控制器建立连接,下发控制指令采集控制器内各项运行数据。2.2 电机车控制系统 电机车内

6、配置独立的控制系统,根据电机车的吨位等级,调速方式、制动方式等信息,设计 ATO、ATP、牵引、制动、定位、通信、受电弓等控制单元,采集控制中心下发的控制指令,按照给定的控制模式,实时控制机车内的各项电气及机械设备。电机车在无人驾驶模式下做自动运行控制,运动过程中做精确定位控制,将机车的位置信息反馈至控制中心。3系统架构如图 2:图 2 电机车控制系统架构图(1)ATO、ATP 控制 按照无人驾驶控制模式,电机车控制系统做自动运行设计,根据各路段的滑线状态,自动控制受电弓升降,结合运输工艺,自动运行模式下对机车行驶速度做精准控制,远程手动控制时,做直道速度、弯道速度系统内自动设置限速值,避免超

7、速风险因素。安全方面,系统运行过程中对道岔状态、电压、气压等信息做故障判断,发生报警时及时减速停车。通过通信方式采集其他机车的位置信息,结合自身的定位数据做机车防碰撞系统设计,保证机车运行过程中的安全和稳定。(2)牵引控制 电机车驱动部分为交流电机,采用变频调速方式4,通过变频器控制电机车的车轮转速,变频器与电机车控制器采用 CAN 总线通信方式,自动运行模式下,电机车控制系统根据路径信息、作业任务等信息计算出所需的调速数据,作为控制目标,通讯传输至变频驱动单元,实时采集实际电机转速信号,实现车速的闭环控制。变频器的电流、电压、故障等状态信息通过 CAN 通信的方式发送至电机车控制器,作为控制

8、因素,参与电机车牵引控制。(3)制动控制 电机车具备气制动和电制动两种方式,气制动依靠气压驱动制动装置,使制动闸瓦夹紧制动盘,制动力大,稳定可靠,但是会造成闸瓦磨损,考虑到整列车只有电机车具备制动能力,所拖动的矿车不具备制动装置,电机车制动采用气电混合方式,电机车控制器根据速度调节目标以、故障状态以及控制中心制动指令等信息计算出需要的制动力大小,作为目标控制值,首先向变频器请求对应大小的电制动里,变频器根据电机实际运行状态执行电制动,并反馈所能施加的最大制动力,电机车控制器根据变频器反馈结果进行比较,如果未能达到目标制动力大小,则剩余制动力由气制动进行补充,对气制动力进行控制调节,最终满足电机

9、车所需的总制动力需求。(4)精确定位 电机车运行过程中需要实时定位,将信息反馈至控制中心,以便操作人员掌握机车所处位置,定位数据作为数据基础,为机车防碰撞、道岔故障判断、作业路径计算以及自动升降弓等各个单元的控制及保护提供数据支撑。机车实时采集电机转速信息,结合减速箱减速比、车轮直径等参数,计算实时车速,对转速进行积分运算,计算出机车行驶位移,根据运输水平轨道特征、生产工艺规划多个相对位置区间,得到机车的实时相对位置。运算过程中伴随着累积误差,采用RFID技术,中国科技期刊数据库 工业 A 112 在巷道内各个关键点位布置定位标签,对运算过程中产生的误差做到及时的清除。(5)无线通信 无线通信

10、为电机车集成至无人驾驶系统建立数据传输通道,电机车在运输水平自动运行过程中,采用无线通信的方式实现电机车与控制中心的通信连接。为了实现机车内控制数据和视频数据的稳定传输,采用5G 通信技术,机车内配置无线 CPE,巷道内布置无线基站,轨道线路上实现 5G 无线信号的全覆盖,5G 通信方式具备低延时、高带宽的传输特征,可有效满足电机车在各个速度区间的数据传输要求。机车 CPE 与巷道内的无线基站建立通信连接,无线基站核心网与控制中心通过光纤的方式建立连接,采用隧道协议,实现机车内的控制器和摄像头等设备与控制中心服务器进行数据交互。3 双机牵引无人驾驶系统 地采矿山领域为了提高运输水平产能,需要提

11、高单列车拖动负载,在高原地区,存在电机功率容量降低,因此均会面临电机车牵引力不足的问题,考虑到巷道内空间有限,对于机车吨位等级不能无限放大,因此整列车前后各配置一台电机车成为了较好的解决方案。现场操控模式实现双机同步控制的功能,无人驾驶模式在此之上实现单列车两台电机车同步牵引的控制目标5。3.1 本体双机牵引模式 双机牵引电机车在本体操控时,为了优化人员配置,在车头内配置电机车司机,由一名司机对前后两台电机车同时驱动控制。每台电机车配置独立的控制系统,使用运动控制器作为核心控制设备,每台控制系统独立工作,能够控制各自机车的牵引、制动、升降弓等各项执行设备。电机车控制系统独立工作,采集车内气压、

12、电压、电流、转速、行程反馈等各类信息,对数据进行运算分析,机车运行过程中进行控制保护。前后电机车分别配置一台车载 mesh 基站,结合整列车在巷道内弯道行驶、中间矿车遮挡等因素,采用2.4Ghz 无线频段,增强无线信号的穿透能力,前后机车通过无线 WiFi 基站进行 mesh 自组网,建立专用传输通道,机车控制器与各自的 WiFi 基站建立连接,借助无线通道实现前后机车控制器之间的数据交换。通道建立后,以前机车作为主站,后机车作为从站,做控制逻辑设计,根据前机车执行指令可实时发送给后机车,后机车的状态信息反馈至前机车,对各项控制目标进行闭环控制。按此控制逻辑,实现前后机车升降弓、牵引、制动的同

13、步控制,按照主站为主的原则执行控制保护,当某一台机车发生故障后首选中断牵引方式,不能随意制动,避免一台机车牵引另外一台机车制动的问题发生。3.2 无人驾驶双机牵引模式 无人驾驶模式下,对前后两台电机车做双机同步控制,为了实现控制中心与电机车及时的数据交互,采用控制中心信集闭控制器作为控制主站,无人驾驶控制中心服务器与信集闭控制器建立通信连接,实时读取信集闭控制器的各项运算数据,将控制中心的指令下发至信集闭控制器,信集闭与整列编组的两台电机车控制系统分别建立连接,对整列车做统一协调控制,在此模式下实现整列车的全自动运行6。信集闭主站控制器与机车控制系统采用5G通信技术,通过无线通信的方式建立连接

14、,机车内配套安装 5G通信 CPE,与巷道内基站建立连接,5G 基站核心网与无人驾驶系统主干环网连接,实现信集闭主站控制器与前后电机车建立通信,实时传输控制数据,前后电机车之间使用车载 mesh 基站建立通信连接,实行数 图 3 双机牵引控制系统架构图 据,在接收到信集闭主站指令后,前后机车结合自身的运行数据进行同步比较,将运算结果上传至信集闭控制主站。系统架构如图 3:中国科技期刊数据库 工业 A 113 在上述系统架构下,电机车无人驾驶系统实现双机牵引同步控制,控制中心将作业任务、路径规划信息下发至信集闭主站,由信集闭主站进行运算分析,转换为机车的控制指令,同时传输至前后电机车控制系统。双

15、机牵引模式下,信集闭主站作为机车控制的核心大脑,控制电机车的牵引和制动以及其他机车本体的电气设备,具备机车控制的所有权限,机车运行过程中进行根据机车本体的定位、压力、电压、电流等信息实施进行故障保护判断,如果单台电机车需要故障保护不能直接投入制动保护,需要将报警信息传输至信集闭控制主站,由信集闭控制主站进行判断分析,根据报警信息的安全级别执行待机或者整列车的停车保护控制,防止发生一台车牵引另外一台车制动的问题。机车运行状态下,以速度作为控制目标,将控制信息同时发送至电机车控制系统,机车牵引控制系统执行控制指令并调节相应的电机转速,实时匹配控制目标。调节过程中的各项数据反馈至信集闭控制主站。前后

16、机车之间互相交互运行数据,根据数据信息进行同步分析,如果数据同步运算异常,及时将信息上传,信集闭主站根据同步数据的反馈信息实时调整控制输出,实现两台电机车双机牵引模式下实时同步控制的目标。4 总结 结合地采矿山有轨运输双机牵引模式的工艺特征以及设备参数,对实现双机牵引无人驾驶功能进行了针对性的设计和开发,按照以人为本,提升本质安全和系统运行效率的原则,制定有轨电机车无人驾驶系统需求分析,根据功能需求设计系统整体控制架构,对各系统进行按照区域和功能进行了详细划分。控制中心以及电机车控制等主体控制系统做了针对性的设计,满足操作人员的操作需求,设计了合理的人机交互系统,按照一键启停的理念,对系统的进

17、行丰富的功能化设计,自动运行系统的运行将人员的干预程度降至最低。为了解决无人驾驶模式下双机牵引的问题,设计了同步控制系统架构,增加数据同步监测装置,可及时掌握对方机车运行数据,机车运行过程中的主要动均能够做到闭环控制,在此模式下整列车能够在任意时刻做到同步执行各类控制指令,实现双机牵引模式下电机车无人驾驶系统的安全、稳定运行。参考文献 1古德生.地下金属矿采矿科学技术的发展趋势J.采矿工程,2014,25(1):6-17.2张佐鹏.无人地面车辆特有技术发展J.国外坦克,2010,3(2):23-36.3何喜田.基于矢量控制交流传动系统在矿用架线式电机车的应用J.机电产品开发与创新,2010(6):66-67.4马素平,沈旭明.矿用电机车变频调速的研究J.煤矿机电,2001,22(2):9-1015.5张博.地下矿无人驾驶电机车运输技术J.现代职业安全,2013,4(4):89-102.6邓永胜.数字矿山特征及未来数字遥控采矿系统模型J.昆明冶金高等专科学校学报,2006,22(1):49-62.作者简介:作者简介:潘海涛(1988),男,汉族,河北唐山人,本科,自动控制工程师,首钢集团有限公司矿业公司,主要研究方向为地采矿山自动化。

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