哈尔乌素露天煤矿电缆智能管理系统

2022-06-30闫瑞光吕文伟

露天采矿技术 2022年3期

闫瑞光，吕文伟

（国家能源集团准能公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

煤炭露天开采逐步成为重要的资源开采方式，露天矿开采范围较广，采用大型生产设备，因此，设备作业位置、工程产量、移动规律等信息对于矿山生产效率和安全管理能力提升具有重要意义。目前，露天矿应用多种定位方法方式对卡车、电铲、钻机等设备进行了实施定位监测，国内外多位学者专家进行了大量的研究，张勇[1]等运用单站差分中的的伪距差分技术的技术原理，分析差分定位基站位置和系统网络布置方式；张扬[2]等分析了卡调系统中产量计算和钻机导航模块，以平朔集团东露天矿为工程背景，对定位方式进行研究，提出了准确判断车铲之间距离及高差、产量自动统计及设备导航的技术优化方法；李鑫[3]等分析了矿山卡车防碰撞需要采集的各种参数，设计开发了基于卫星定位和角运动测算的露天矿卡车防碰撞系统；吴浩[4]等采用GNSS 卫星导航定位方法，设计了支持钻头实时导航的平面定位模型和孔深定位模型，通过分析信息管理、导航定位核心功能需求，实现了爆破孔网参数准确定位和效果分析。大型露天矿山作业设备主要采用电力供能，采场中布置大量电缆用来传输电力，电缆位置、使用时长、维修次数等信息的整理分析对于设备供能稳定有一定的意义，鉴于此，提出了哈尔乌素露天煤矿电缆智能管理系统设计方案。

1 电缆管理现状及需求分析

1）电缆管理现状。大型露天矿生产现场普遍存在上百根电缆分布各处，没有专业的管理系统对其进行全方面的管控，电缆铺设位置、工作状态、使用时长、移设信息等基本信息主要依靠作业人员纸质记录，容易造成维护保养不及时，可能导致设备出现作业效率降低的情况。位置信息不确定，常常出现寻找特定电缆难度较大，调度匹配困难。电缆位置的随意性，有时会造成电缆的遗失和损坏，可能会产生一定的经济损失[5-7]。

2）需求分析。定位装置需要满足以下功能：①精确定位：精度要达到5～10 m；②数据传输：采集到的数据可准确、快速的传输到后台管理系统；③信息管理：实现信息的录入、编辑、删除、查询等功能，实时显示二维位置，通过声音、弹窗等方式提示报警，建立设备信息档案数据库；④防护强度：需要保证系统硬件可以在恶劣气候下稳定运行，需要达到防水、防尘、防砸、防摔、防电磁干扰、防雷击、防静电等要求；⑤待机时长：采用电池供电，系统需采取低功耗设计，电池能满足系统长期运行。

2 定位终端设计

2.1 定位终端安装方案

针对装置生产现场需求，提出以下2 种定位终端的安装方案。

1）方案1。方案1 的定位终端结构结构示意图如图1。箭头指的地方就是电缆接头的喇叭嘴，设计一种类似于哑铃形状的结构，分上、下两半，扣在喇叭嘴处，可以使用对穿螺钉等方式固定，电路板内嵌于该结构的空腔内，这样的结构可以对电路板起到很好的保护作用。外壳的材质可以使用“金属＋塑料（或橡胶）”的方式，保证外壳的抗冲击性、刚度、硬度以及耐候性。外壳的塑料（或橡胶）部分可以作为内部天线的通信窗口。定位终端可安装在电缆头附近，也可安装到电缆头出线的喇叭嘴处，跟电缆头形成一体，在电缆运动过程中，电缆头也可为定位终端提供一定保护。将定位终端设计在电缆接头内部，可以充分利用现有接头外壳结构实现防护功能。但此方案存在2 个问题：①接头处为全金属结构，定位终端具有定位和通信天线，如果设计在电缆接头内部，无法解决信号被屏蔽的问题；②接头处的内部结构是出厂时已经设计好的，难有足够空间放置定位终端的电路板和原件，可能会由于安装定位终端，影响原有电缆接头的功能和性能安全。

图1 方案1 接头处结构示意图

2）方案2。方案2 是将定位终端外壳设计成1个小盒子，盒子底部设计成弧形，可更好地与电缆贴合。盒子上有设计有穿孔卡扣，使盒子固定在线缆上。

3）方案比较。方案1 防护性能好，外壳与电缆接头形成一体，不需频繁拆卸，不影响生产，但受设计难度、资金、时间、工艺等限制。方案2 每次拖动电缆时定位终端需拆卸、安装，增加了额外的工序，但钢箍结构拆卸、安装比较方便，可适用于各种电缆线径。钢箍和盒子的连接处需做特殊设计，以保障强度要求。综上，通过分析对比，方案2 更加经济适用。

2.2 电子硬件

定位终端硬件模块设计图如图2。

图2 定位终端硬件模块设计图

定位终端的硬件模块包括电源管理、CPU、GPS定位模块、GPRS 无线通信模块、运动检测模块。其中电源管理是为其余各部分提供电源；CPU 是终端的大脑，用来控制运动模块、GPS 定位模块、GPRS 无线通信模块，使其以合理的逻辑运行并彼此进行通信；GPS 定位模块用来获取当前位置信息；GPRS 无线通信模块用来同后台服务器进行通信；运动检测模块用来检测电缆是否移动，以实现低功耗。

2.3 定位方式

目前最普遍的户外应用定位技术有3 种：GPS、GLONASS、北斗[8-10]。其中在我国应用较多是GPS 和北斗。GPS 的定位效果经过长时间的应用，已经得到充分认可。随着我国北斗地面基站增强系统的建成，已经能够满足为国内提供广域分米级、区域厘米级的精准位置服务，这也为工程建设施工作业人员的安全管理及施工现场管理提供了新措施、新方法。结合市场调研情况，根据需求现场试验，最终选择了“北斗＋GPS”的双模定位模块。

由于位置差分定位精度低，而载波相位差分定位精度虽然高，但是需要额外建设基准基站，成本比较高，因此经过权衡伪距差分定位比较适合露天矿实际需求，并且3～5 m 的定位精度已经可以满足系统的精度要求。

可供选取的无线通信技术方案有2 种：①低功耗的GPRS；②LoRa。通过多次现场测试，典型的LoRa 模块的通讯距离为1～3 km。露天矿区域面积广大，这个距离难以覆盖全部矿区，就需要建立中继，这样无形中增加了设计难度和设计成本；而采用GPRS 技术，由于电缆定位的数据量很少，露天矿已建好的4G 网络足以满足通讯的距离要求和可靠性要求，故选取GPRS 无线通信技术作为本次通讯技术方案。

3 系统软件

软件系统架构如图3。

图3 软件系统架构

设备管理及二维地图展示系统软件的开发充分借鉴已有的位置服务管理基础平台的成果，采用成熟的J2EE 架构技术，基于MVC 体系结构进行开发。同时根据特定需求，进行业务功能模块及数据接口的修改。其技术结构主要包括4 个主要部分：业务功能模块、数据库、基础支撑服务、网络通讯服务。业务功能模块是平台的用户接口，提供方便的位置查询服务和相关系统管理功能等。数据库是平台的数据存储中心，负责存储位置数据和业务数据。基础支撑服务负责位置数据处理和访问授权等功能。网络通讯服务负责与定位终端的网络通信。

4 应用效果

设计完成的定位装置已安装于哈尔乌素露天煤矿生产现场的电缆上。管理终端通过网页登录系统获取相关信息，包含地图显示和报警信息的实时显示。地图可实时显示电缆的位置、维修记录、移设频次等信息，可对地图进行放大、缩小、选取、移动等基本操作。该模块未来还可设置电子围栏，有针对性的对电缆设定1 个保护区，假如电缆出了这个保护区，则触发报警。对位置或者状态异常的电缆，可通过声音、弹窗或列表等方式将报警信息通知管理员。

从经济效益角度考虑，露天煤矿电缆智能管理系统基本可以保障露天煤矿设备高效安全运行。可通过对电缆等重要设备的精准定位管理，减少设备因管理不善带来的损耗，优化设备的调度环节，提高设备的安全使用效率，促进企业的生产能力，防止设备丢失，可以为企业节省开支，产生直接的经济效益。从社会效益角度考虑，为实现露天矿重要设备精细化管理提供了先期技术保障。