智能化掘進系統信號傳輸方案設計

關鍵詞：智能化掘進系統；遠程監控；信號傳輸

中圖法分類號：TD632 文獻標識碼：A

近年來，國家開始大力發展煤礦智能化建設，這是現今煤炭企業的重要任務，也是今后煤礦產業發展的必然趨勢。煤礦智能化建設將物聯網技術、云端數據處理技術、自動化控制技術、大數據分析技術、AI識別技術等與傳統的煤炭生產工藝技術進行融合，使煤炭生產全過程安全高效運行。遠程信號傳輸系統是掘進面智能化系統的重要一環，該技術可以讓工作人員遠離工作面進行觀察和操作，相較于在機身司機位操作有更好的觀察視野，安全性得以提高。

為了使工作人員能夠在遠程集控室或是在地面對掘進工作面設備進行監控，需要將工作面現場的視頻信號以及設備工況參數傳輸至遠程；而要在遠程平臺控制掘進面設備，則需要將遠程的控制信號發送至掘進面設備控制器，這都要借助遠程信號傳輸系統來實現數據信息交互。本文將根據數據信號的傳輸路徑（掘進機——井下集控室——地面），逐段分析遠程信號傳輸系統的搭建方法。

1概述

采用傳統掘進工作方式時，工作人員在現場可以實時觀察設備及周圍環境狀態，隨時對操作步驟進行調整，而要實現智能化掘進系統遠程操作，則需要采集掘進工作面的設備工作視頻及數據，詳細了解現場工況。掘進機及迎頭巷道上加裝高清攝像儀，可以多角度實時采集現場視頻畫面。掘進機機身上安裝光纖慣導，巷道頂部安裝激光導引裝置組成慣導定位系統，實時監測掘進機工作過程中的航向角、橫滾角、俯仰角以及行進距離等位姿信息。加裝超聲波測距雷達，監測掘進機機身距離巷道兩幫的距離。通過慣導和雷達測得的數據可以計算出掘進機在巷道中的相對位置，以及其在工作時的姿態，遠程工控機安裝數字孿生系統則將采集的位姿數據映射到工作面設備和巷道的三維模型上，實現真實場景再現。掘進機自身的電機狀態、系統參數、故障信息等也傳輸至遠程進行顯示。上述信息在遠程整合顯示，工作人員可參照視頻和數據進行遠程操作。

掘進工作面設備與遠端平臺之間通過信號傳輸系統進行數據交互，下文通過不同的控制方式來分段解析信號傳輸系統的搭建方案。智能化掘進系統中一般將掘進機控制方式根據操作地點的不同分為4種。

（1）本地操作：掘進機操作者在司機位通過機身操作箱按鈕以及操作臺上的液壓閥手柄，來控制掘進機電機啟停以及機身所有液壓閥動作。這是最基礎的操作方式，本地操作時操作者不能離開司機位，因此視野比較有限，只能清晰觀察自身所在一側的截割工況，而另外一側則無法觀察全面，特殊情況下需要額外配置一人進行輔助觀察作業。

（2）視距遙控操作：標配掘進機進行升級改造，普通液壓閥更換為電磁閥以后，掘進機操作者可以通過手持遙控器對掘進機的所有電機及電磁閥進行操作。這種操作方式相較于本地操作的優勢在于掘進機操作者擺脫了位置的限制，可以在掘進機周圍任意位置進行操作，隨時觀察掘進機周圍情況，安全系數增加。

（3）遠程集控室操作：智能化掘進系統在井下硐室設立有遠程集控室，兼具安全性和舒適性，內部設有2臺工控機、1臺隔爆交換機、6個24英寸本安顯示屏及1個操作面板等元件。工作面視頻、工作參數等信息實時顯示在集控室顯示屏上，操作者可通過視頻觀察工作面情況，然后通過操作面板對掘進機發送指令進行遠程控制。

（4）地面調度室操作：根據煤礦建設的具體需求，地面調度室可設置不同功能的操作面板，一種是較簡單的僅有急停和一鍵啟停功能的面板，另一種是與集控室相同的全功能面板。地面調度室同樣可接收工作面視頻信號及掘進機工作參數，操作者根據視頻在調度室操作工作面掘進機。

以上4種控制方式中，除本地操作，另外3種均屬于遠程控制，下文將介紹3種遠程控制的工作原理及實施方法。

2視距遙控控制

視距遙控控制（圖1）屬于短距離數據傳輸，遙控發射器與遙控接收器之間通過無線高頻信號通信，撥動操作遙控器上的鈕子開關或手柄向接收器發送指令，接收器通過內部單片機運算將遙控信號轉換成對應掘進機主控制器通信接口類型的232串口信號或CAN信號（依照技術協議定制）等，掘進機主控制器即可根據接收器發送數據的通信協議格式解析出遙控發射器的開關量信號和手柄模擬量信號。撥動開關量信號相當于直接控制操作箱按鈕或者固定開度的電磁閥手柄，用于控制電機啟停及定速電磁閥動作；模擬量信號是由遙控的萬向手柄發出，這個信號是線性可變的（0～255），因此可以根據手柄推動的幅度來控制掘進機履帶及截割臂比例閥的開度，從而達到速度可調的效果。以上信號在主控器程序中進行邏輯運算后，最終輸出信號控制電機及電磁閥動作，達到遠程控制掘進機動作的目的。

遙控控制技術目前已相對成熟，在地面空曠處測試最遠控制距離可達100米以上，但礦用遙控器的使用場景為掘進工作面，現場工況較為復雜，不僅有錨桿鋼梁等金屬物體會吸收屏蔽一部分高頻無線信號，巷道堆放的物料也會阻擋無線信號的直線傳播，因此在掘進工作面一般操作距離在50米以內，一方面要保證信號強度，另一方面若距離過遠，則無法觀察掘進機周圍情況，不利于操作，存在安全隱患。

遙控接收器的安裝要求：接收器的天線要避免與掘進機金屬機身接觸，接收器防護罩要做成開放形式，防止屏蔽信號，另外，接收器周圍不應堆放雜物遮擋信號。現在的解決方案一般是在接收器和接收器天線之間增加一根天線延長線，這樣接收器可安裝在防護較好的位置，能夠有效避免磕碰損壞，而天線則可以放置在空曠無遮攔的位置。由于接收器防護到位，裸露在外的只有天線和一部分延長線，即使有掉落物砸到也只需要更換外露部分線材，降低了維護成本。遙控發射器與接收器之間信號穩定是遙控系統可靠工作的前提，因此使用時必須加以重視。

3遠程集控室控制

智能化掘進系統在掘進工作面以外設置有集控室，掘進機操作者在遠離工作面的位置進行作業，可以有效避免噪音污染和粉塵污染。由于集控室與掘進機之間的距離已經超出了無線高頻信號的傳輸距離，因此無法再采用遙控器的形式進行遠程控制。

可以遠距離傳輸的信號有多種類型，常見的有RS485，CAN，TCP/IP等，在智能化掘進系統中，集控室的控制指令需要傳輸至掘進機進行控制，同時掘進機的工作狀態參數信號需要傳輸至集控室進行顯示，而工作面視頻信號僅可通過TCP/IP網絡信號形式傳輸，因此采用TCP/IP信號可以最方便地解決掘進機與集控室之間的數據互傳問題。本掘進機電控系統內部使用的通信協議為CAN通信，在電控箱內部增加一個CAN轉TCP/IP的數據轉換模塊，將其轉換成TCP/IP信號才能接入信號傳輸系統。

有線網絡傳輸形式：網線的極限傳輸距離為100米，如果集控室布置在距離掘進機100米以內的位置，則可以直接用網線連接集控室和掘進機的交換機進行通信。但是，集控室一般都放置在距離掘進機1000米甚至更遠的地方，這時則需在掘進機及集控室各安裝1個光端機，然后在巷道內鋪設光纜，光纜連接2個光端機，從而聯通網絡，實現數據互通。具體如圖2所示。

直接用網線或光纜連接有如下弊端：由于掘進機在工作過程中是不斷移動的，直接用網線或光纜接在掘進機上容易在其頻繁移動過程中發生擠壓或斷裂，導致信號中斷。尤其是光纜，如果發生破損斷裂，在井下工作面重新熔接光纖非常不便。另一個弊端是直連的狀態下，網線或光纜必須隨著掘進機的向前行進而放長，而放線過長則容易造成線纜堆積，更易發生擠壓破損，因此基本一個施工班時間便需要放長一次，頻繁放線會增加井下工作人員施工量。

“有線+無線網絡”傳輸形式：為避免上述事故發生，可采取“有線+無線”的方式來組成信號傳輸網絡，在不需頻繁移動的環節采用有線連接，而在頻繁移動的環節采用無線傳輸，框圖如圖3所示。

集控室到工作面之間的光纜沿巷道壁鋪設完畢以后一般是不需要再移動的，光纜軸放置在二運轉載點，隨著掘進機的前移，逐漸放長光纜。光纜接人轉載點光端機，然后光端機連接1個無線基站。在掘進機上安裝1個無線發射裝置，將掘進機上的視頻畫面及工作狀態參數以TCP/IP信號的形式通過無線發射裝置發送給二運轉載點處的無線基站，最終通過光纜傳輸至遠程集控室：集控室操作面板的控制信號通過信號轉換采集板轉換為TCP/IP信號，通過光纜、無線基站最終發送給掘進機，控制其動作，形成信號閉環回路。這種方案的優點在于“有線部分”能保證信號穩定遠距離傳輸，“無線部分”則能保證掘進機在工作期間不受網線或光纜的限制，可以自由移動，避免發生網絡線路斷開導致信號中斷，并且掘進機在每前進30～50米后才需要向前移動一次轉載點設備，不需頻繁放線，既增加了可靠性，又減少了工作人員工作量。

4地面調度室控制

完整的智能化掘進系統除了井下集控室，還在地面調度室內設置有遠控系統。井下集控室與掘進機之間組成1個局域網實現數據信號互傳，這是1個獨立的網絡系統，如果要從地面調度室控制掘進機，同時能觀看工作面視頻，則需要借助煤礦已有的環網進行信號傳輸。通過光纜連接井下集控室與井下的環網交換機，即可在地面調度室接收井下的信號。具體如圖4所示。

地面調度室遠控系統包括顯示屏和操作面板，顯示屏顯示工作面視頻和掘進機工作參數，操作面板功能與井下集控室面板一致，操作面板內置信號采集板，將面板的按鈕信號和手柄信號轉換為TCP/IP信號，通過煤礦環網傳輸至井下。工作人員能夠通過視頻和掘進機參數信息實時了解工作面情況，用操作面板操作掘進機，達到地面遠程控制掘進機的目的。

掘進機機身安裝有主令選擇開關，可以選擇“本地.遠程.地面”三地的控制權限，本地操作具有最高優先級，即使主令開關選擇了“遠程”或“地面”，當操作本地遙控器時，即可將控制權限切換至“本地”。

井下工作面除了掘進機，還有工作面粉塵傳感器、環境溫濕度傳感器、運輸皮帶變頻器、移動變電站、自移機尾等設備，這些煤礦原有設備一般帶有RS485協議或ModbusTCP協議接口，在這些設備附近配置帶有485轉換模塊的交換機，將設備信號轉換為TCP/IP信號后，可就近接人井下環網接口。設備廠家開放通信協議，即可在井下集控室及地面調度室進行解析，實現井下設備集中顯示參數及控制功能。

智能化掘進系統還開發配套有云端服務系統，該系統包括本地數據服務器平臺、網絡服務器平臺、工控機Web網頁集中管理平臺以及手機APP。井下局域網設備在接人煤礦環網時，將智能化掘進系統內的所有網絡設備的lP地址設置成煤礦現有調度系統的網段，即可將智能化系統的視頻及工作參數融合至現有調度系統中，智能化系統的掘進機參數和工作面視頻由本地數據服務器平臺實時獲取，通過算法轉換并封裝成數據包推送至網絡服務器平臺。由礦方開放外網接口并給予特定計算機或手機授權，則可在計算機瀏覽器或手機APP上實時查看工作面視頻，以及掘進機工作狀態參數，突破了地理位置的限制。本地服務器平臺可長時間存儲井下視頻及工作參數，通過歷史查詢功能可查看任意時段的工作面視頻及掘進機狀態參數，當掘進機出現故障后，也可查看歷史記錄以及故障發生前后的掘進機工作狀態參數，方便維修人員排查故障。

5結束語

在未來相當長的時期中，煤礦資源仍在我國能源體系中占據十分重要的地位，從事井下采掘、運輸等危險崗位的人員占現今的煤礦從業者總人數的一半以上，一旦發生事故，就會造成重大人員傷亡，因此煤礦智能化建設是大勢所趨。通過應用新技術新設備，代替工人從事危險且繁重的工作，在“減人”的同時優化生產工藝，最終實現煤炭生產全過程少人化、自動化、智能化運行。信號傳輸系統的穩定性和可靠性是整個智能化掘進系統的基礎，因此仍需要投入力量不斷進行優化。隨著技術的進步，智能化掘進系統的功能正在不斷升級和完善，遠程監控技術有助于實現煤礦井下掘進面等危險環境少人化甚至無人化的目標，減少安全事故的發生，提高生產效率，降低工人勞動強度，對推動煤礦開采工藝技術革命、實現煤礦產業高質量發展、保證國家能源供應具有重要意義。

作者簡介：

朱雷（1989—），本科，工程師，研究方向：煤礦設備電控智能化系統設計。