电机车无人驾驶系统设计及应用实践*

陈玖德,康小刚

(酒泉钢铁集团 信息自动化分公司,甘肃 嘉峪关 735100)

0 引 言

20世纪70年代,瑞典基律纳地下铁矿利用无线通讯技术研发了无线遥控电机车,实现了井下电机车的无线遥控驾驶。目前,国内井下轨道运输系统运行模式仍为现场岗位人员与电机车驾驶员相互配合完成电机车的对车、装矿、行车、卸矿等过程,工作人员上下井换班使运输有效时间大大缩短,造成装矿效率低下、装载异常等问题,同时具有较大的安全隐患。而且矿山企业井下运输环境恶劣,招工极其难。近年来,随着我国数字化产业及工业互联网技术的蓬勃发展,运用人工智能、无人驾驶等技术实现智慧矿山建设成为矿山企业发展的必然趋势。首钢下属矿山杏山铁矿于2013年11月7日上线了国内第一家电机车无人驾驶系统,该系统一直稳定运行至今,成功解决了轨道运输系统需多名操作人员在现场的弊端。

电机车无人驾驶技术难点主要集中在障碍物识别避让、电机车精确定位、行车调度等方面[1-3]。为进一步弥补国内井下有轨复杂运输环境自动化无人驾驶技术的不足,笔者选择祁连山铁矿运输水平电机车全自动无人驾驶展开分析。经考察,祁连山铁矿运输水平的环境恶劣且运输设备技术落后,导致运输效率低下。井下矿料运输几十年来全部采用人工现场操控,具有人员密度大,生产工艺落后,劳动强度和危险性高等缺点。因此,提出了一种新型的井下复杂环境无人驾驶电机车运输技术实际应用方案,探讨主干有线网络融合无线WIFI和全自动控制运输系统应用实践,促使井下运输作业效率大幅提升,使各运输环节安全可靠。

1 电机车自动控制运行系统构成

通过对成熟工业控制硬件及软件的进一步优化设计并应用,该系统可实现电机车系统的全自动运行,即形成自动装矿和自动卸矿,以及铁矿石自动破碎子系统集成式、一体化运行模式,形成一套全自动控制运行综合生产管理系统。电机车自动控制运行系统结合通讯系统、自动化系统、网络系统、机械系统、电气系统、遥控系统、信号系统,以最优行驶路线及成本效益为导向进行车辆的运行指挥,以提高轨道线路的利用率、容量和安全性。

电机车无人驾驶自动控制运行系统包括:调度单元、电机车单元、装矿单元、卸矿单元、井下轨道单元、网络通信单元、供电单元、运行控制单元、铁矿石破碎单元,各单元之间协调配合,实现地面远程控制生产,系统高效地完成生产任务,改善了现场作业环境、优化生产运输调度、合理利用资源、降低生产成本、保障生产作业安全,最大限度地缩减现场作业人员。该系统构成如图1所示。

图1 电机车自动控制运行系统

2 电机车自动控制运行关键技术

2.1 电机车自控运行系统

电机车车头部位安装了车载控制系统,该系统可通过无线、有线网络与集中调度室控制系统进行通讯,即接收集中调度室操作台系统的指令,并将电机车的运行状态数据等信息传送给集中调度室操作台。此外,电机车车头还安装了摄像头,摄像头经无线网络与主控室通信,实现远程路况视频监视。

电机车自控运行系统(AOC,Automatic Operation Control)对所有电机车的运行情况进行监测和远程控制。为确保车辆连续、安全的运行,该系统设计了车辆精确定位、自动保护功能,并为实现无人驾驶提供电机车自动运行方案。车载设备安装在机车内并采取减震措施。电机车本体自动控制还涉及车载无线与有线通讯系统、车载电源子系统、车载控制箱、车载视频子系统、操作台设计安装、精确定位子系统等。下面对关键技术进行详细介绍。

(1) 车载控制箱 此车载控制箱如图2所示,其安装功能模块(如高速脉冲计数、CAN 通讯、485 通信、数字量、模拟量等扩展模块)可实时采集电机车的各种信息参数。参数主要包括机车位置、运行速度、运行方向和运行状态等。车载控制器通过WIFI无线网络接收无线基站转发的控制指令后,根据指令控制电机车运行。车载控制器对电机车运行状态进行实时检测、判断和分析,并对出现的故障信息进行报警和自动保护。电机车车头的照明灯、电笛、警示灯、升降弓均为自动控制。

图2 车载控制器内部图 图3 电机车现场图

车载控制器通过控制电磁阀实现对电机车的气制动、气路受电弓的上升和下降、气喇叭的鸣笛等自动控制操作。当电机车拐弯时,车载控制器通过控制电磁阀实现气喇叭的鸣笛,同时控制报警灯进行蜂鸣闪烁。当电机车行驶至溜井等位置时,车载控制器通过电磁阀控制受电弓进行自动降弓操作。电机车断电滑行,通过溜井等位置后,气动受电弓自动升弓。当电机车运行出现故障时,刹车系统执行紧急制动指令。

(2) 车载监测传感器 车载监测传感器检测变频器的工作状态及电源系统的工作状态,可实时监测机车的运行状态并进行故障预警。电机车本体安装的传感器包括DC550V电压变换器、DC24V/DC12V电压变换器、测速传感器等。测速传感器通过实时检测码盘的脉冲频率计算车速,实现电机车的速度和位置检测。电机车监测的参数主要有DC550V电压、电流,这些参数可控制回路DC24V/DC12V的受电弓位置、主回路的开关位置。

(3) 车载网络摄像机 电机车车头的网络摄像头如图3所示。

摄像机通过WIFI车载客户端与地表控制室实现通信,监视升降弓状态及机车前方的运行状态,将电机车前后的画面实时传送至地表控制室,以进行远程开车路况监视。网络摄像机支持通过浏览器(Internet Explore)进行远程图像、动态IP地址访问,具备红外可视功能,在光线很差的情况下仍可以获得高品质图像。

2.2 电机车精确定位方案

电机车的精确定位对实现电机车全自动无人驾驶至关重要,为实现车辆位置信息数字化、运行过程可视化和调度指挥一体化的总建设目标提供基础保障。电机车的精确定位需根据现场的实际行驶位置和区段进行设计,以实现受电弓的自动升降切换、区间内自适应巡航、电机车到装载站完成自动装矿、到卸载站完成自动卸载等循环工作流程。

文章采用独特的电机车定位方式实现电机车的精准定位,即控制中心计算机将收到的信息显示在屏幕上,同时保存到数据库,并结合电子地图,实时显示某个区域内车辆的数量和分布、车辆的移动路线,进而对设备进行实时定位和跟踪、查询车辆的实时位置、实时显示定位信息、查询某一历史时刻的定位信息。下面对定位装置进行详细介绍。

(1) 安装测速编码器 电机车本体通过外加测速装置输出测速脉冲,PLC 系统根据单位时间内收到的脉冲信号及脉冲量与实际距离计算电机车的真实速度,同时实时显示出电机车的前进和倒退状态。结合现场实际情况,将编码器安装在电机车头的减速机上,测速和行驶位置米数均通过测速装置产生的脉冲数进行相应的换算得出。所测数据用于进行实时采集、判断、分析、控制、执行、显示和存储等各种相关服务。

(2) 安装定位标签 运行和装矿过程中,电机车频繁地前进、后退会给计量带来误差,造成电机车定位偏差。为了消除减小位置偏差,为电机车运输巷道的关键点位(巷道进出口、装矿溜井进出口、卸矿站进出口、电机车停车场进出口等)安装定位标签,如图4所示。同时,电机车机头安装标签检测装置,标签在水泥枕木上打孔进行固定。当电机车经过安装标签的位置时,系统将自动对电机车的位置进行修正,以保证电机车的精确定位。文中研究应用的祁连山铁矿运输水平电机车的行驶位置由机车状态、速度(由机车控制机上传或编码器上传)、方向、调度路段多项数据进行动态确定。当机车通过定点检测装置时,将对机车的精确位置进行修正。现场出现异常工作情况时,将对电机车的精确定位及电机车的总里程等参数进行修改。

2.3 车载电源系统

电机车驾驶室内安装车载电源系统,此电源系统对电机车及车载设备的工作电源进行管理。其中,车载供电状态包括架线的实际供电参数和受电弓的升降状态,以及电压及负荷检测。系统同时具备蓄电池功能,DC24V作为驾驶控制台及车载客户端的工作电源;DC12V 作为车载传感器、摄像头和定位装置的工作电源。车载电源箱具备车载电源供电状态监测及各等级电压转换功能。

2.4 机车障碍物识别防碰撞系统

防碰撞系统是电机车设计改造的重点,此系统的设计好坏关系着作业设备的安全程度[4]。改造的电机车具有较好的障碍物检测功能,结合了电子地图、机车定位单元、机车速度及现场实际特征,可探测前方障碍物,减少了误判停车;检测到障碍物后会发出安全预警,同时控制机车降速或制动等。

该子系统工作原理为:机车前侧安装雷达,实时扫描,通过视频辅助进行分析判断,检测机车行进过程中轨道障碍物的情况,当发现行车方向轨道存在障碍物时,系统会发出报警指令,机车单元采取停车措施,避免碰撞事故的发生,保障行车安全。

电机车障碍物检测用激光雷达如图5所示。雷达采集电机车前方信号时会将数据送入控制器,由控制器进行分析运算。车载控制器通过采集一定距离范围内返回的激光雷达波,计算出障碍物与电机车之间的距离。为了保证运行安全,激光雷达传感器能够实时动态计算电机车与障碍物之间的距离,并通过动态计算划分行驶安全范围的等级(一级为预警级,二级为停车级)。系统能够实时动态计算出电机车与前方障碍物的相对距离,并且通过计算预判电机车与障碍物的碰撞时间,同时能够修改相应行驶安全范围的级别。系统通过计算预判电机车与障碍物的碰撞时间,及时发出报警警告,并输出停车制动控制信号,保证电机车运行安全,同时电机车控制软件数据库保存弯道模型,用来区分弯道和障碍物,可及时对机车采取控制和报警措施。

2.5 主干网络与运输巷道WIFI无线通讯网络融合

文章电机车无人驾驶网络通信系统设计集成矿山通信现状及固有特点,形成通讯、监控一体化的网络系统,并采用统一标准的工业以太网网络架构及当前国际流行的有线和无线相结合的技术方案。其中,有线基础网络架构基于1 000 Mb/s光纤以太网构建,无线网状架构基于标准WIFI技术,此网络系统为运输水平设备的数据传输提供了一个稳定流畅的公用平台。

网络系统中,无线网络系统采用WIFI通信技术,时延率低于20 ms,丢包率不超过1‰,通讯协议为工业以太网,固有有线骨干网络和WIFI通信基站进行通讯以实现电机车的控制及状态监控和实时定位等功能,通信基站如图6所示。电机车无人驾驶系统运输水平的分站交换机通过主站交换机和控制中心的核心交换机接入系统骨干网络,通过控制系统直接读取有线网络交换机的工作状态,并将监控状态实时显示在调度指挥中心。

图6 基站现场图

无线分站间采用光缆连接,直接与控制主机通讯,以保障通讯的高质量和高稳定性[5]。文章采用矿用本安型通信基站,可以自由连接各种拓扑结构的网络,适合复杂的巷道结构,并且有线和无线接口结合,可构造出灵活多样、适应性强的接入模式,满足目前和未来各种业务的接入需求,实现了宽带综合通信和设备小型化、系统简约化设计的有机融合,通信设备的光纤插口、电源插口和天线插口设计均为插接式,支持热插拔。系统设计充分考虑到矿井的施工环境,减少设备种类,网络结构简单,布线简洁,安装容易,维护方便,使系统简洁、高效、可靠,在节约建设成本的同时也减少安全隐患,保证系统的高可靠性。

无线网络结合实际环境,根据现场具体情况(如主要巷道、交叉道口、必经之路等重要位置),在运输区域和巷道中放置一定数量的矿用基站,两基站的通信距离与通信状况调整到最佳状态,通信基站配置两根定向天线用以覆盖巷道的两个方向,基站同时配置两根全向天线,天线和基站之间通过射频线连接,可以插拔。该基站可以极大地提高网络数据的传输质量,且支持STP,可以自由地组成各种结构的环网,在工业环境下有效避免线缆和设备损坏导致的网络瘫痪,提高了无人驾驶系统网络通信的稳定性。

每个隧道机柜旁安装一个配电箱为AP供电;机柜内安装1套工业电源为AP提供可靠电源保障;AP天线安装在隧道内壁,距铁轨上方高度约1.5 m;AP天线固定在安装支架上,安装支架固定在墙壁上,此设计满足了复杂的矿井环境要求。

3 应用实践

全自动控制无人驾驶系统投用后,将电机车司机、放矿工、卸矿工、破碎工合四为一并统一由系统操作员进行监控,实现多台电机车安全有序自动运行。

该系统可统一协调生产,提高生产及管理效率,即自动运行系统实现自动运行、对车、连续放矿、卸矿和破碎操作,减少了操作时间。调度室对系统进行集中管理,调度人员实时掌握现场生产情况,对指令进行准确及时的上传下达,避免人为操作不当产生的掉道、追尾等安全运行隐患。此外,取消岗位操作人员,电机车本体保护生产过程中现场无岗位人员,岗位操作人员和管理人员在控制中心进行操作或监视,远离粉尘和不安全隐患,不仅改善了工作环境,而且彻底消除了系统存在的人员安全隐患。此系统实时显示电机车设备的运行状态,便于操作员随时掌握设备信息;能够生成设备状态的相关报表,便于设备部门对设备故障进行有效分析,为设备预检修提供数字支撑;能够实现区间定速行驶,避免重复刹车对设备的损坏,能保证设备和系统的长周期稳定运行,降低设备维护频次和费用;系统设备硬件采用国内外成熟的技术产品,稳定性强,维护简单方便,性价比高。

4 结 语

针对目前矿山井下有轨复杂运输环境及运输设备技术落后,运输效率低下的问题,提出基于有线骨干网络与无线网络融合、优化的PLC控制系统、联锁控制系统、远程监测系统、安全防护系统、供电测控系统的全自动无人驾驶系统。该改造设计的电机车全自动无人驾驶系统可实现井下多台电机车运输的安全有序调度、全自动控制运行、电机车工况参数及位置信息的实时显示,实现电机车全程自动化集成式作业,改变现有的多人现场交接班值守作业模式,提高运输效率,节约人工成本,显著提高企业生产的效率和安全性。此外,该系统可以实时监控显示电机车运输各环节子系统的运行状态,通过远程监测设备运行状态,诊断异常信息,实现设备运行故障分析和诊断,并为维修决策提供依据,避免非计划停机维护,降低人员劳动强度和安全风险,为实现企业效益最大化目标做出贡献,并取得了良好的社会效益和经济效益。