掘進(jìn)機(jī)視頻截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

原長(zhǎng)春

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊礦，山西 晉城 048021）

引言

掘進(jìn)機(jī)是一種依靠搖臂帶動(dòng)截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行巷道掘進(jìn)的設(shè)備，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下巷道掘進(jìn)的質(zhì)量和巷道掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)性。目前多數(shù)掘進(jìn)機(jī)采用人工控制截割的方式，但由于進(jìn)行粉塵濃度大、能見(jiàn)度差，導(dǎo)致巷道截割成型一次合格率僅67.4%，需要進(jìn)行二次截割處理，不僅極大地影響了巷道掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性，而且高粉塵濃度下的作業(yè)也威脅著作業(yè)人員的身體健康，因此現(xiàn)有截割控制模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足巷道掘進(jìn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的需求。結(jié)合井下高清攝錄設(shè)備的發(fā)展及高速通信技術(shù)的進(jìn)步，提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)視頻截割控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理等進(jìn)行了分析。

1 視頻截割控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由于井下粉塵濃度大、視線條件差，因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割狀態(tài)的判斷主要是依靠各類(lèi)傳感器設(shè)備，但傳感器數(shù)據(jù)顯示存在著顯示不直觀的情況，不利于人工遠(yuǎn)程截割控制，因此結(jié)合高清視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備和工業(yè)高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，提出了一種新的井下掘進(jìn)機(jī)視頻截割控制系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該視頻控制系統(tǒng)主要包括高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、信息保護(hù)系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在工作過(guò)程中系統(tǒng)通過(guò)高清視頻監(jiān)測(cè)模塊來(lái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割姿態(tài)、截割高度等進(jìn)行監(jiān)控，將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，將視頻畫(huà)面顯示在監(jiān)測(cè)屏幕上，以便控制人員可以根據(jù)井下的實(shí)際地質(zhì)情況，靈活地控制掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)姿態(tài)，滿(mǎn)足截割安全性和截割效率的需求。

圖1 井下掘進(jìn)機(jī)視頻截割控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)為核心，主要包括了高清防爆攝像儀、無(wú)線電發(fā)射基站、本質(zhì)安全箱、顯示設(shè)備、遠(yuǎn)程遙控控制系統(tǒng)等[2]。在工作過(guò)程中，系統(tǒng)的視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)主要通過(guò)無(wú)線電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拉進(jìn)行傳輸。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化程度高、數(shù)據(jù)通信抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)和控制。

2 視頻截割控制系統(tǒng)視頻監(jiān)測(cè)模塊

視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是該截割控制系統(tǒng)的核心，直接決定了視頻監(jiān)測(cè)控制的精確性和可靠性。為了確保對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)的精確性，在掘進(jìn)機(jī)上布置了4 組高清防爆視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)。為了確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中視頻信號(hào)傳輸?shù)木_性和安全性，高清攝像設(shè)備完成視頻信息采集后將其轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的電信號(hào)進(jìn)行傳輸，避免了視頻信號(hào)過(guò)大導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸滯后。

在該視頻監(jiān)測(cè)模塊中，設(shè)置了紅外視頻監(jiān)測(cè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在低光線環(huán)境下的視頻監(jiān)測(cè)需求[3]，在該系統(tǒng)內(nèi)還具有語(yǔ)音對(duì)講功能，能夠滿(mǎn)足特殊情況下的輔助截割控制，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人化”截割作業(yè)，減少作業(yè)面惡劣環(huán)境對(duì)作業(yè)人員身體的影響，提升井下截割作業(yè)的安全性和可靠性。

3 視頻截割控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了保證掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，同時(shí)不影響掘進(jìn)機(jī)正常的掘進(jìn)作業(yè)，對(duì)于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳輸，采用了無(wú)線傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，選擇了礦用隔爆高頻無(wú)線基站，各個(gè)基站之間采用無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行連接，在基站的內(nèi)部設(shè)置了WiFi 數(shù)據(jù)傳輸模塊，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸。

由于煤礦井下地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜、干擾信號(hào)強(qiáng)烈，因此為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，采用了雙發(fā)射模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還設(shè)置有擴(kuò)展接口，便于根據(jù)井下實(shí)際情況增加信號(hào)發(fā)射功率，提升抗干擾性。無(wú)線基站在設(shè)置時(shí)，首先在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的客戶(hù)端，接收到視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)后將其進(jìn)行數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足無(wú)線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射需求。將其他基站設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)的后方，根據(jù)地質(zhì)情況每隔100～200 m 設(shè)置一個(gè)，確保無(wú)線數(shù)據(jù)信息傳遞的精確性和安全性，各個(gè)基站間無(wú)線傳輸結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 無(wú)線基站數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

為了對(duì)該視頻截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)不同控制方式下的截割效果進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證表明，采用新的視頻截割控制系統(tǒng)后，能夠?qū)⒕孪锏澜馗钜淮纬尚吐侍嵘?2.6%，將井下巷道掘進(jìn)人員減少2 人，有效地提升了煤礦井下巷道的掘進(jìn)效率和安全性，同時(shí)為后續(xù)的“無(wú)人化”掘進(jìn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）井下掘進(jìn)機(jī)視頻截割控制系統(tǒng)，主要包括高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、信息保護(hù)系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

2）視頻監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中各個(gè)狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了紅外視頻監(jiān)測(cè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在低光線環(huán)境下的視頻監(jiān)測(cè)需求，提升了視頻監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用效果。

3）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)井下復(fù)雜地質(zhì)條件下數(shù)據(jù)傳輸安全性和便捷性的需求。

4）新的視頻截割控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕孪锏澜馗钜淮纬尚吐侍嵘?2.6%，將井下巷道掘進(jìn)人員減少2 人，有效地提升了煤礦井下巷道的掘進(jìn)效率和安全性。