远程控制技术在井下固定碎石中的实践和应用研究

郝玉春，康磊田，刘利波

（招金矿业股份有限公司，山东 招远 265400）

1 引言

对于目前国内矿山来说，井下作业环境比较恶劣，各种灾害时刻威胁着矿工的生命安全。最大限度的减少现场工人数量，减轻工人的劳动强度，提高本质安全水平，实现采矿设备远程控制甚至自主控制是采矿技术的发展趋势。

固定碎石机远程控制是操作人员位于地表中控室，通过远程通讯网络连接现场设备的控制系统，并利用现场安装的视频监控来获取碎石机现场视频状况，从而通过中控室操控装置，控制井下碎石机进行作业。而矿山现有视频及通讯网络系统，为搭建设备的远程通讯网络、增设远程操控系统提供了硬件基础。

2 固定碎石机改造设计

现对大尹格庄金矿安装使用的元征行B450型液压碎石机控制系统进行升级改造，升级改造后实现地表中控室远程操控设备的能力。首先对采矿车间-616卸载站和-676卸载站现已安装使用的碎石机进行改造，同时，具备将来与其他安装使用的碎石机进行全部联网控制的能力。采用“一控多”远程控制系统，该系统允许地表中控台通过按键切换方式控制地下任意一台联网设备。虽然地表中控台成本较高，但将来联网更多设备时只需支付地下设备的改造成本，联网设备数量越多，单台分摊成本越低。也可以选用“一控一”远程控制系统，每台设备使用独立的远程控制台。升级改造内容包括以下几点：

（1）增加地表远程中控台；

（3）碎石机液压系统升级改造，以满足远控需要；

（4）利用矿山现有传输光缆和视频系统，以降低改造成本；

（5）系统的所有元器件集成在便于运输和安装的控制柜中，在出厂前均进行相应的实验测试，预留接线口，现场仅需要简单外部接线即可投入使用。拓扑结构图如图1。

3 碎石机控制系统功能概述

本控制系统分现场控制系统和中控室两部分，并预留CAN、INTERNET通讯接口以备后续接入地表中控室。系统框架如图2。

3.1 现场控制系统

原有现场控制方式不变，主要由控制柜（如图3）组成，布置在现场碎石机旁。控制柜主要由控制器、接触器、断路器、通讯模块、继电器、控制箱安装附件等元器件组成。

图1

图2 远程控制系统硬件组成框图

图3 控制柜

图4 操作台系统

3.2 远程控制系统

地面系统位于中控室内，由工作台或者模拟座舱、控制器、通讯模块、操控装置、显示器等组成。操控装置模拟现场的操作习惯，操作方便灵活，并增加人机界面实时反馈设备的运行参数。操作台可以根据整体外观要求定制（如图4）。

3.3 视频监控系统

视频监控系统由摄像机、中速球、交换机、光纤及控制室视频显示系统组成。在碎石机的左右两侧各安装1支监控、后侧安装1支球形监控，左右两侧监控采集碎石机和液压站图像信息，球形监控采集整个破碎工作面的图像信息，如图5。

图5 现场视频监控

3.4 通讯传输系统

通信传输系统提供了地面操作平台与液压破碎站之间的所有通信任务，包括操作平台对液压破碎站的控制通信、碎石机状态信息上传到操作平台状态监视器的通信、视频系统上传到操作平台视频监视器的通信。

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该系统借用矿区已经建设的主干网和井下光纤环网，将中控室的操作平台通过有线方式接入工业环网，在井下固定式液压破碎站工作区域附近布置井下交换机，固定式碎石机通过有线方式接入工业环网，设备在运行时系统通过光纤将视频、设备状态信息发到中控室，同理，中控室的控制信息由光纤到达井下巷道内的交换机，然后传输至车载汇聚器。设备作业区装有高清摄像头，可清晰的将现场作业环境反馈给操作人员以便于完成远程作业。

3.5 设备控制显示屏的显示情况

图6 人机界面

控制系统具备完善的状态指示和故障诊断功能，可远程查看碎石机的机械、液压、电气等状态信息。设备状态及运行过程数据可通过CAN、INTERNET通讯接口远程上传中央控制系统。设备控制显示屏显示情况如下：

（1）显示设备电机工作时的电压；

（2）显示设备电机工作时的电流；

（3）显示设备液压油压；

（4）显示设备液压油位，并且当液压油低于5%时设备不能启动，如在运行中设备会自动切断主泵电机运转保护主泵；

（5）显示设备液压油温；

（6）显示高压滤油器滤芯状态；

（7）显示回油滤油器滤芯状态。

3.6 操控流程

碎石机中控室操控的功能，与现场操作习惯和功能保持一致；操作人员通过中控室内的视频监控系统，实现对现场碎石机工况的监视。当放料口堵塞后，操作人员启动碎石机，推动左右电控比例手柄，产生相应的信号输送到控制器，工业交换机将控制器信号通过网络传输至现场，现场控制器将信号转换为相应的电流以驱动设备上的电控比例液压阀，从而实现动作的无级调速，并且可以通过编程调节比例阀控制最大最小输出电流，上升下降坡度及动作联锁等。设备报警及工作状态信息传输至中控室控制台实时显示。碎石机同时具有远程和本地控制功能，切换开关安装在中控室操控台。具体可操控的基本功能示意图如图7。

图7 操作方式

4 碎石机系统改造

4.1 液压阀改造

因采用远程控制方式，现场无人，系统的一些重要运行参数需在远程操作控制台实时显示，必须对原液压油箱进行改造，增加液位、压力、油温传感器。

4.1.1比例多路阀

因现场固定式碎石机原系统是液控比例阀组，无法进行远程控制的改造，需要更换与原阀组规格参数相同的电液比例阀组。改造后的液压系统完全兼容于原

破碎机的液压系统。采用电液比例阀组的改造方法较为方便、有效。特点是具备比例信号控制、执行动作准确。

4.1.2电控比例液压阀

液压阀选用比例多路换向阀系列，此款阀用于定量泵或变量泵系统。可通过电控、液控、手控方式进行无极调速，且输入流量只与输入电流信号大小或者控制手柄角度成比例变化，而与负载大小无关，可实现多路执行元件以不同压力、速度独立工作，直至执行元件所需流量总和大于泵所能提供的最大流量为止。此款阀内的定差溢流阀与换向阀内的梭阀配合工作，使定量泵出口压力总是比各路换向阀最高负载压力高约9~15bar，定量泵提供的多余流量通过定差溢流阀以当前压力溢流回油箱。当所有换向阀杆位于中位时（无操作时），定差溢流阀以约9~15bar的压力使泵卸荷，系统处于低压待机状态，实现节能。

4.2 电气控制柜改造

电气控制柜所有电缆出口均使用电缆防水接头，整个控制柜全封闭结构，可有效的防水防尘。控制器选用进口品牌，防护等级IP67，防水防尘，完全适合恶劣的工况条件；电控手柄及主要元件选用进口品牌。控制回路、站内越限信号及操控台电源均使用DC24V，机身可靠接地，可有效防止触电事故的发生。动力电源采用AC380V、50Hz。

4.3 控制编程器

采用STW控制编程器，32位处理器，主频300 MHz。防护等级IP67。带有正负极反接保护、高电压高电流误入保护。

智能故障诊断：本控制编程器可实时监测输出回路（电磁阀或者继电器线圈）的电流大小，并将数据发送到显示器上显示。可检测开路/短路。地面操控操作手柄，输出模拟开关电流信号到控制编程器，控制编程器转换成数字信号，传输给交换机，交换机通过光纤传送到井下交换机，井下交换机通过网线传送给井下控制编程器，井下控制编程器把数字信号转换为模拟比例电信号传送给电控比例液压阀，从而控制液压阀杆的行程大小，实现设备快慢动作。

5 结语

大尹格庄金矿通过对采矿车间-616卸载站和-676卸载站已安装使用的2台碎石机进行远程控制改造，利用智能控制、信息、网络通讯等技术，实现了井下碎石机远程控制，操作人员在综合调度中心进行操作，不但解决了现场工作环境恶劣的问题，减少了现场工人数量，减轻了工人劳动强度，同时，也减少了操作人员上下井的时间，使作业过程可视化，极大地提高了本质安全水平。