目前，我國的有色金屬礦山地下采礦技術(shù)、自動化和信息化水平與當(dāng)今礦業(yè)的發(fā)展總體水平不相適應(yīng)。井下有軌礦石運輸環(huán)節(jié)仍然使用傳統(tǒng)的依靠人工操作的運輸方式，致使礦山的整體自動化和智能化水平不是很高，使得井下軌道運輸成為突破數(shù)字化礦山發(fā)展的一個瓶頸。本文采用貝加萊工程車輛控制器X90，構(gòu)建了井下運輸自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下運輸自動化質(zhì)的改進。

     隨著科學(xué)技術(shù)的進步，采礦業(yè)正在發(fā)生日新月異的變化。在發(fā)達(dá)國家，許多地下采礦設(shè)備已經(jīng)采用地表遠(yuǎn)程遙控運行方式，操作工在距離礦山幾千米甚至十幾千米之外遠(yuǎn)程操控地下機械設(shè)備生產(chǎn)，一個熟練操作工可以同時遙控不同位置、不同工作面的多臺機械設(shè)備，這種先進的控制方式不僅大大地節(jié)約了人工成本，極大地改善了操作工的勞動環(huán)境，同時控制觀念也上升到一個更高的層次。

     在我國，傳統(tǒng)礦山企業(yè)生產(chǎn)工藝離散，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，且存在極大的安全隱患，改善傳統(tǒng)開采工藝的弊端，解決當(dāng)前社會最關(guān)注的資源利用和安全生產(chǎn)是十分必要和重要的，通過對老系統(tǒng)的改造實現(xiàn)信息的集中、調(diào)度以及井下軌道運輸系統(tǒng)的自動化、智能化的集中控制，達(dá)到了礦區(qū)人力資源的合理利用，提高現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)地下采礦無人化，不僅可以提高企業(yè)技術(shù)水平，同時也會給企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟效益。

1系統(tǒng)概述

1.1設(shè)計思路

     本系統(tǒng)基于貝加萊的X90移動控制器，其擁有強勁的ARM處理器和48個多功能I/O通道，涵蓋了可用于CAN、USB、以太網(wǎng)和實時POWERLINK總線系統(tǒng)的接口，具有滿足IP69K的高防護等級，是專為應(yīng)對最嚴(yán)酷的工作環(huán)境而設(shè)計的。貝加萊X90移動控制器具有極其堅固的鑄鋁外殼，可安裝四個擴展卡，靈活性高，并兼具貝加萊自動化技術(shù)所擁有的所有優(yōu)點。集成的安全技術(shù)和豐富的排錯選項，不僅大大節(jié)約開發(fā)時間，更能滿足用戶的實際需求，是建筑機械，農(nóng)業(yè)機械，林業(yè)機械及市政機械等移動設(shè)備自動化解決方案的不二選擇。

     通過對井中段原有電機車的智能化改造，實現(xiàn)了機車的井下巷道障礙檢測和控制、機車定位、速度控制、位置同步、語音告警等，并配合巷道的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，建立了一套完善的控制調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)機車與機車之間、機車與系統(tǒng)之間、機車與人員之間的相互配合和安全運行模式。針對地下礦機車運輸?shù)奶攸c，綜合運用通信、精確定位、自動控制等技術(shù)，實現(xiàn)礦石的智能運輸，達(dá)到無人駕駛、自動調(diào)度、自動裝礦、自動運礦、自動卸礦、行人避讓、保護、監(jiān)控等功能，保障機車行人安全，提高運輸效率。

圖1貝加萊X90移動控制器

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

     控制中心依靠X90移動PLC系統(tǒng)，完成整個井下運輸系統(tǒng)的工藝控制，實現(xiàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)檢測和狀態(tài)指示；無線通信系統(tǒng)完成PLC控制系統(tǒng)與電機車運行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信；集中監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)完成人員對電機車、巷道設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控和調(diào)度；電機車控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機車本身的控制運行和安全保護；裝卸載站系統(tǒng)完成電機車的自動裝卸載礦石。整個系統(tǒng)將達(dá)到合理配置、優(yōu)化控制、系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。井下智能運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2井下智能運輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1系統(tǒng)需求與控制站規(guī)劃

     本井下智能運輸系統(tǒng)中，在控制中心設(shè)立控制主站（帶有DP和以太網(wǎng)口）；DP口作為主站與巷道的ET200相連通訊，以太網(wǎng)口作為主站與5臺移動機車從站進行實時通訊。在每一個岔道轉(zhuǎn)轍機及裝卸載站處安裝ET200從站（共13個），作為控制主站的遠(yuǎn)程I/O，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機的控制、預(yù)警和信號顯示等。

      在每臺電機車上安裝有X90控制器（帶有以太網(wǎng)口，共5臺），作為控制中心主站的機車移動從站，通過自帶的無線網(wǎng)橋與巷道安裝的基站系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)連接。

     在井下調(diào)度室設(shè)立井下操作員站（2臺），通過千兆光纖以太網(wǎng)連接到控制中心主站，實現(xiàn)在井下調(diào)度室操作機車的功能。

    在地表集控調(diào)度室設(shè)立工程師站（1臺）和操作員站（2臺），利用光纖網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)以太網(wǎng)連接到控制中心主站，達(dá)到在地表集控調(diào)度室操作機車、實時監(jiān)控、打印報表等功能。地表集控調(diào)度室的系統(tǒng)服務(wù)器實時進行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)配置等。

2.1.2設(shè)備選型與硬件配置

     選用X90CP172-48控制器，內(nèi)部配置有X90AO410-04模擬量輸出模塊，實現(xiàn)整個機車的控制功能。機車控制器X90被固定在機車控制室內(nèi)壁，通過控制線纜連至機車配電控制箱。網(wǎng)絡(luò)接口連接到控制箱內(nèi)的交換機，實現(xiàn)與射頻RF、觸摸屏及集控中心控制器通訊。

     X90172.48分別有三個對外接線端口，48個點，加上AO擴展板X90AO410.040共有52個點，根據(jù)機車項目需要，實現(xiàn)具體的機車配置控制接口包含機車控制、機車狀態(tài)反饋、信號檢測等共42個點，正好滿足系統(tǒng)配置要求。

2.2軟件系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.2.1應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺

     使用X90控制器，采用AutomationStudio4.3進行軟件配置和系統(tǒng)編程。打開編程軟件，建立工程項目，在Physicalview插入所需硬件，并配置相應(yīng)的IP地址及參數(shù)。本項目的X90應(yīng)用程序全部采用ST語言編程，下來就是具體的功能實現(xiàn)了。

2.2.2機車速度檢測的實現(xiàn)

     本系統(tǒng)通過在電機軸齒輪增加增量編碼器方式，編碼器采用套軸安裝，保證了安裝準(zhǔn)確無偏差。編碼器電源采用直流24V供電，接口為A、B接入，連接至X90的高速輸入通道1、3。

     首先，測量速度通過通道1、3，定義的內(nèi)部映像值存儲值為INT，其值為-32768~+32767直接，并且機車在前進正轉(zhuǎn)時，這個內(nèi)部值從小到大變化，機車倒退時，這個內(nèi)部值從大到小變化。本速度測量通過對通道1、3每10ms進行一次采集，通過計算實現(xiàn)機車速度檢測。

圖3機車速度測量應(yīng)用程序流程框圖

機車速度檢測功能的應(yīng)用程序流程框圖如圖3所示；其具體ST語言程序?qū)崿F(xiàn)如下：

MTFilterMovingAverage_0功能實現(xiàn)速度濾波程序，完成速度值的300ms濾波。EngineFilterSpeed即為計算出來的機車速度。

2.2.3機車位置檢測的實現(xiàn)

     機車位置檢測通過連接編碼器第二路通道，接口為/A,/B接入，連接至X90的高速輸入通道2、4，實現(xiàn)對機車的編碼器檢測。

     編碼器通道2、4內(nèi)部映像值存儲值為INT，其值為0-+32767，由于編碼器一圈的脈沖數(shù)為2048，機車齒輪變比為23/90，機車由于運行距離距離較長，由32767/2048/90/23=4.0888圈，得到，當(dāng)編碼器脈碼從0到32767時，機車車輪轉(zhuǎn)動4.0888圈，也就是4.0888*PI*0.68=8.735米，0.68為輪子外直徑。也就是說當(dāng)映像值到32767時，機車運行8.735米，井下巷道最長位距離為1300多米，所以需要增加計數(shù)值寄存器。其應(yīng)用程序流程框圖如圖4所示。

圖4機車機車位置檢測應(yīng)用程序流程框圖

2.2.4上位機機車地圖定位實現(xiàn)

     在井下運行系統(tǒng)中，機車運行在巷道軌道上，有固定的運行路線，并且機車定位要求精度要達(dá)到10cm范圍內(nèi)，否則無法進行精確停車和做相應(yīng)與位置相關(guān)的動作。上位機地圖定位與我們地面人員定位方式不同，不能通過GPS及無線定位方式。我們根據(jù)井下機車的特性和運行情況，采用比較經(jīng)濟但最準(zhǔn)確的方式實現(xiàn)機車的準(zhǔn)確定位。

     具體實現(xiàn)為，通過編碼器的位置數(shù)據(jù)采集及同步開關(guān)的配合，根據(jù)畫面的像素比例實現(xiàn)機車位置與地圖畫面位置的一一對應(yīng)。機車定位效果圖如圖5所示。

圖5機車定位效果圖

     機車同步開關(guān)采用非接觸式的RF射頻同步，在每一個岔路口安裝一個RF卡，機車安裝讀卡器，實現(xiàn)機車讀卡同步。機車畫面定位可采用上位機通過數(shù)據(jù)庫的畫面像素查詢表完成畫面定位，這樣做對于X90控制器只需要給上位機送出機車編碼器值信息及段號信息，通過上位機建立的像素對應(yīng)數(shù)據(jù)庫查詢即可，但這樣做，系統(tǒng)復(fù)制性差，工作量大，如果更換不同像素的電腦則無法正確顯示。所以，在本項目中，我們采用在X90中通過曲線計算的方法與實際畫面的像素比例實現(xiàn)機車位置與上位機畫面的一一對應(yīng)，流程圖實現(xiàn)如圖6。

圖6機車定位畫面實現(xiàn)流程圖

     其中，每一個區(qū)段為機車地圖定位對應(yīng)的畫面像同性質(zhì)的區(qū)段，其中像素XY的像素函數(shù)Line_Pos_x和Line_Pos_y為直線函數(shù)；像素XY的像素函數(shù)Curve_Pos_x和Curve_Pos_y為曲線函數(shù)。程序通過將地圖畫面分成相應(yīng)的段，完成每一段的位置計算，組合起來實現(xiàn)整個-320水平的機車地圖定位。

2.2.5機車巷道障礙物檢測實現(xiàn)

     障礙物檢測通過在無人機車前安裝線性雷達(dá)，實現(xiàn)對機車前最遠(yuǎn)20米距離內(nèi)的區(qū)域進行掃描檢測，根據(jù)機車處于巷道的位置不同，具體檢測保護距離有所變化，比如在彎道位置，機車前障礙物距離在6米范圍內(nèi)等。

     機車保護區(qū)域分為3個安全級別，當(dāng)機車保護區(qū)遇到障礙物時，在3級安全范圍時，語音提示行人等避讓；在2級安全范圍時，無人機車進行減速到怠速運行，在1級安全范圍時，無人機車將實現(xiàn)緊急制動停車。

2.2.6機車其它控制功能

     除了以上的控制計算功能外，X90還實現(xiàn)了無人機的機車操作、機車氣動剎車、讀卡錯誤處理、避讓處理和跑偏響應(yīng)處理等。從機車的控制功能到保護，從與上位機的連接到數(shù)據(jù)采集，均實現(xiàn)了完美的切合。

3構(gòu)成系統(tǒng)的其它關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3.1巷道無線通訊

     要實現(xiàn)無人駕駛電機車運輸必須具備一條鏈路的無線通訊，即電機車與集中控制室之間的無線通訊，實現(xiàn)把電機車的運行數(shù)據(jù)傳送到集中控制室，同時把集中控制室的指令發(fā)送給電機車。

     在-320水平，主副井井口都有各自的進車線和出車線，有一條南北主通道，進出車共用。并且在主通道側(cè)設(shè)有12道并行的穿脈，進車線和出車線獨立。在主副井進行線交叉入口設(shè)有井下調(diào)度室，這里同時將作為改造后的井下運輸系統(tǒng)的井下分制室，機車供電室（中央變電室）將作為井下機車運輸?shù)目刂浦行?，所有的無線網(wǎng)點和控制子站都將連接到此處。

     礦區(qū)無線傳輸一般礦的巷道長度都在1公里~10公里之間，巷道到地面距離普遍有幾百米左右同時，巷道有很多的分叉路口，線路蜿蜒繞轉(zhuǎn)，墻面不規(guī)則的巖石對無線信號可能存在影響，所以對信號強度的要求高于地表傳輸，也對設(shè)備的穩(wěn)定性要求很高。

3.1.1無線傳輸設(shè)備

    巷道沿線全部鋪設(shè)光纖線纜，每個彎道處安裝無線網(wǎng)橋接收基站，使用定向天線正面直線覆蓋距離1KM，背后覆蓋直線距離100米。貨車上安裝移動車載網(wǎng)橋，采用全向天線，覆蓋半徑1KM。無線傳輸系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7無線傳輸系統(tǒng)

     本方案采用DB6000系列專用基站和車載網(wǎng)橋，完成車載到地面的無線傳輸，傳輸采用無線電磁波方式，基站為300M電信級網(wǎng)橋設(shè)備，可支持10個以上客戶端同時連接，用于數(shù)據(jù)傳輸，車載設(shè)備為專用的車載網(wǎng)橋。

3.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布置

     要實現(xiàn)井下電機車在運輸過程中與控制中心的通訊連接，一是要在電機車上安裝全向網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備。另外，同時要實現(xiàn)電機車運輸過程區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。本方案采用高效安全的知名無線網(wǎng)橋品牌。根據(jù)井下特殊的運輸巷道情況，井下無線主要采用基站加天線的方式布置，多個交叉點和布置分體式工業(yè)網(wǎng)橋基站，在其附近布置不同指向的單模天線，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的集散通訊。同時，考慮到一些位置較遠(yuǎn)地、單點地網(wǎng)絡(luò)端點，我們將采用點對點終端無線網(wǎng)橋。圖8為網(wǎng)橋基站的布置圖。

圖8網(wǎng)橋基站布置圖

     根據(jù)無人駕駛電機車的實際需求，采用了以下無線通訊方案。在集中控制室設(shè)置無線通訊主站，沿巷道敷設(shè)以太網(wǎng)光纜，根據(jù)實際情況在以太網(wǎng)電纜上掛接無線通訊數(shù)傳終端（分體式網(wǎng)橋基站），距離可參考上圖的布置位置。實現(xiàn)基站附近定向天線的數(shù)傳（要求定向天線到基站的線纜連接距離在100m左右）。通過無線通訊數(shù)傳終端與移動電機車數(shù)傳終端進行通訊，從而組成完整的通訊網(wǎng)絡(luò)。

      根據(jù)穿脈走勢和需要，無線通訊設(shè)備布置如下：

     ●基站（共7個）的布置位置有；

     ●基站對應(yīng)的定向天線（共21個）的布置位置有；

     ●點對點網(wǎng)橋位置：①巷道東段彎道處。

3.2人機交互

     人機交互采用昆侖通泰的人機交互端，可以直觀掌握機車運行信息：機車的控制方式；機車電動機的工作電流；機車車的位置數(shù)據(jù)機車的運行速度；機車的運行方向；機車前進方向所處哪個區(qū)段；機車與控制中心的通訊狀態(tài)。

     通過上述信息，可以滿足無人駕駛電機車運輸?shù)目刂菩枨?，比傳統(tǒng)的控制方式將有質(zhì)的改變。圖9為機車控制主畫面設(shè)計。

圖9機車主控制畫面

3.3裝卸載站完善

     裝礦站是運輸系統(tǒng)中的起始端，裝載站的自動化升級將直接影響到整個井下軌道運輸系統(tǒng)自動化程度，所以改造后的裝載站將達(dá)到依據(jù)溜井料位，自動調(diào)度車輛裝礦功能；車輛到達(dá)溜井放礦機下，自動啟動放礦機裝礦功能；現(xiàn)礦車精確定位功能（4m3礦車較大，需裝礦2次，每列車有7-9節(jié)車廂），避免礦石落到車外，導(dǎo)致車輛掉道；礦車裝滿檢測功能；列車裝車完畢，放礦機自動停止，并發(fā)出列車運行信號功能。

     （1）溜井料位：在每一個溜井中下采掘巷安裝雷達(dá)測距傳感器，要求確保準(zhǔn)確，作為電機車對其溜井卸礦和整體運行方案確定的依據(jù)。

     （2）機車料位：在礦車裝礦位置巷道兩后側(cè)方安裝線性雷達(dá)柵，安裝位置高于車廂面，低于預(yù)裝礦尖峰位置。卸礦給礦機和檢測傳感器都連接到本地PLC系統(tǒng)，作為整套系統(tǒng)的一個子站，統(tǒng)一控制管理。線性雷達(dá)參考安裝位置圖如圖10所示。

圖10線性雷達(dá)安裝位置示意圖

     （3）裝礦停車點：在每個溜井卸礦口停車位置安裝紅外反射檢測開關(guān)，實現(xiàn)電機車第一節(jié)車廂（前半段）裝礦對準(zhǔn)停車。以此為基準(zhǔn)，通電機車的位置編碼器實現(xiàn)第一節(jié)車廂（后半段）、一直到第八節(jié)（后半段）的裝礦對準(zhǔn)停車。

     （4）裝礦站最終達(dá)到：小溜井的料位測量準(zhǔn)確、可靠，電機車根據(jù)各小溜井料位情況自動選擇最優(yōu)路徑，實現(xiàn)自動定點裝礦、自動進車等。

      裝礦站實現(xiàn)就地/遠(yuǎn)程，自動/半自動機車運行功能。在自動情況下，不用人為參與，完全實現(xiàn)自動運行；在手動情況下，裝車放礦通過人為遠(yuǎn)程集控操作或者就地操作實現(xiàn)，裝完礦后，發(fā)信號開車，電機車進入自動運行狀況。

     卸礦站將根據(jù)主溜井料位及機車的運行進行自動卸礦功能。

     （1）大溜井料位：溜井上方安裝雷達(dá)料位計，作為電機車對其溜井放礦和整體運行方案確定的依據(jù)。

     （2）防撞及位置：電機車的系統(tǒng)位置管理中包含了電機車的位置和防撞保護，同時，在大溜井口的進車側(cè)安裝有聲光報警器，當(dāng)有機車在大溜井口卸礦時，聲光報警器發(fā)出提示音響，防止有人為開車等情況進行卸礦，避免碰撞。

3.4車載視頻監(jiān)控

為了實現(xiàn)集控室人員手動遠(yuǎn)程操作電機車運行，需要在電機車上安裝監(jiān)控視頻，視頻監(jiān)控距離0-20米范圍，攝像頭采用網(wǎng)絡(luò)連接，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)與地面實現(xiàn)通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程路況視頻監(jiān)視。圖11為電機車視頻監(jiān)控到達(dá)的效果圖。

圖11電機車視頻監(jiān)控到達(dá)效果圖

     每臺電機車安裝兩臺網(wǎng)絡(luò)攝像機，分別監(jiān)控車前和車后的巷道情況。

     在電機車內(nèi)安裝吸頂攝像頭，可以監(jiān)控車內(nèi)電子設(shè)備和運行情況。集控室及地面人員隨時掌握應(yīng)急開車及機車內(nèi)操作人員操作情況。

3.5人員檢測

     電機車前端安裝紅外人體探測，實現(xiàn)電機車在運行過程中對巷道前方的人員檢測，減少安全事故，紅外人體探測距離要求在10米范圍，當(dāng)有人進入本機車感應(yīng)范圍時，自動接通開關(guān)，人不離開感應(yīng)范圍活動，開關(guān)將持續(xù)接通。(默認(rèn)為連續(xù)觸發(fā)模式,可選)；通過將信號接入機車PLC系統(tǒng)，實現(xiàn)機車的系統(tǒng)語音提示，結(jié)合機車系統(tǒng)的其它檢測，必要時，減速停車。

3.6語音系統(tǒng)

     語音系統(tǒng)是基于LMD107語音模塊構(gòu)建的語音播放系統(tǒng)，安裝在電機車前方，喇叭功率5W，達(dá)到的播放聲音在巷道內(nèi)清楚宏亮。系統(tǒng)通過機車PLC控制，實現(xiàn)在特定位置、情況播放對應(yīng)的語音。在轉(zhuǎn)彎和交叉口處，播音提示有車輛通過，請行人注意！在機車檢測到前方有人員通過時，播音提示有機車行駛進入，請避讓！在機車啟動時，播音提示機車即將啟動，請注意！其它的語音部分可根據(jù)實際需要增添。

4結(jié)論

     本系統(tǒng)以貝加萊X90作為無人機車的控制核心，通過對老系統(tǒng)的改造實現(xiàn)了信息的集中、調(diào)度以及井下軌道運輸系統(tǒng)的自動化、智能化的集中控制，達(dá)到了礦區(qū)人力資源的合理利用，提高現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)老礦山的人力資源型向經(jīng)濟技術(shù)型的發(fā)展，對于實現(xiàn)智能化、數(shù)字化礦山具有重大的意義。