基于貝加萊X90移動控制器的井下軌道智能運輸系統(tǒng)
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今礦業(yè)的發(fā)展總體水平不相適應。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)達國家，許多地下采礦設備已經(jīng)采用地表遠程遙控運行方式，操作工在距離礦山幾千米甚至十幾千米之外遠程操控地下機械設備生產(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，達到了礦區(qū)人力資源的合理利用，提高現(xiàn)有設備的生產(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，是專為應對最嚴酷的工作環(huán)境而設計的。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、巷道設備的遠程操作、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)設計
2.1硬件系統(tǒng)設計
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），作為控制主站的遠程I/O，實現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機的控制、預警和信號顯示等。
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)度室設立工程師站（1臺）和操作員站（2臺），利用光纖網(wǎng)絡，實現(xiàn)以太網(wǎng)連接到控制中心主站，達到在地表集控調(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)服務器實時進行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)配置等。
2.1.2設備選型與硬件配置
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，并配置相應的IP地址及參數(shù)。本項目的X90應用程序全部采用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機車速度測量應用程序流程框圖
機車速度檢測功能的應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。其應用程序流程框圖如圖4所示。
圖4機車機車位置檢測應用程序流程框圖
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到10cm范圍內(nèi)，否則無法進行精確停車和做相應與位置相關(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)濟但最準確的方式實現(xiàn)機車的準確定位。
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。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數(shù)據(jù)庫查詢即可，但這樣做，系統(tǒng)復制性差，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，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，實現(xiàn)對機車前最遠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，也對設備的穩(wěn)定性要求很高。
3.1.1無線傳輸設備
巷道沿線全部鋪設光纖線纜，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，車載設備為專用的車載網(wǎng)橋。
3.1.2網(wǎng)絡節(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)絡通訊設備。另外，同時要實現(xiàn)電機車運輸過程區(qū)域的網(wǎng)絡全覆蓋。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)遠程的集散通訊。同時，考慮到一些位置較遠地、單點地網(wǎng)絡端點，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。在集中控制室設置無線通訊主站，沿巷道敷設以太網(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。
根據(jù)穿脈走勢和需要，無線通訊設備布置如下：
●基站（共7個）的布置位置有；
●基站對應的定向天線（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)目刂菩枨螅葌鹘y(tǒng)的控制方式將有質(zhì)的改變。圖9為機車控制主畫面設計。
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到依據(jù)溜井料位，自動調(diào)度車輛裝礦功能；車輛到達溜井放礦機下，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測距傳感器，要求確保準確，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)方安裝線性雷達柵，安裝位置高于車廂面，低于預裝礦尖峰位置。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。線性雷達參考安裝位置圖如圖10所示。
圖10線性雷達安裝位置示意圖
（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）裝礦對準停車。以此為基準，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）的裝礦對準停車。
（4）裝礦站最終達到：小溜井的料位測量準確、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)絡連接，經(jīng)無線網(wǎng)絡與地面實現(xiàn)通信，實現(xiàn)遠程路況視頻監(jiān)視。圖11為電機車視頻監(jiān)控到達的效果圖。
圖11電機車視頻監(jiān)控到達效果圖
每臺電機車安裝兩臺網(wǎng)絡攝像機，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)電子設備和運行情況。集控室及地面人員隨時掌握應急開車及機車內(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，當有人進入本機車感應范圍時，自動接通開關(guān)，人不離開感應范圍活動，開關(guān)將持續(xù)接通。(默認為連續(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，達到了礦區(qū)人力資源的合理利用，提高現(xiàn)有設備的生產(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。
