論
壇
中礦傳動(dòng)技術(shù)交流
行業(yè)研究
2022年第06期
總第41期
2022年03月14日發(fā)布
副井提升機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用
市場(chǎng)部收集整理
導(dǎo)讀：傳統(tǒng)的副井提升系統(tǒng)存在運(yùn)行效率低、人工成本高、安全隱患風(fēng)險(xiǎn)大、勞動(dòng)強(qiáng)度高等一系列問(wèn)題。通過(guò)對(duì)副井提升機(jī)的操作、運(yùn)行和監(jiān)控三大主要模塊進(jìn)行分析，提出了“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”的方案，并進(jìn)行了工程實(shí)踐，可滿足礦山降本增效、減員增效以及對(duì)高效低耗設(shè)備的需求，響應(yīng)了國(guó)家安監(jiān)總局推進(jìn)的“副井提升機(jī)機(jī)器人替代工程”的號(hào)召，達(dá)到了預(yù)期的效果?！?/p>
傳統(tǒng)的副井提升系統(tǒng)采用手動(dòng)操控方式，該操控方式占用人力資源多、運(yùn)行效率低、成本高。傳統(tǒng)副井提升系統(tǒng)主要存在 4 個(gè)問(wèn)題：一是采用人工信號(hào)聯(lián)絡(luò)，手動(dòng)操控，提升作業(yè)效率低；二是提升機(jī)設(shè)專職司機(jī)，各水平另設(shè)專職信號(hào)工，人工成本高；三是各環(huán)節(jié)需要人工安全檢查確認(rèn)，存在過(guò)失隱患風(fēng)險(xiǎn)；四是人力拉卸罐籠內(nèi)載運(yùn)礦車，勞動(dòng)強(qiáng)度高。副井提升機(jī)自動(dòng)化控制是地采礦山智能化發(fā)展的需要，國(guó)家安監(jiān)總局下發(fā)了《關(guān)于開展“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)的通知》(安監(jiān)總科技〔2015〕63 號(hào)文件)，將提升系統(tǒng)的無(wú)人值守管控列為了重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目。隨著智能監(jiān)測(cè)控制技術(shù)的發(fā)展，全自動(dòng)提升運(yùn)行控制所需的技術(shù)與裝備已成熟，只待集成創(chuàng)新開發(fā)。
筆者對(duì)副井提升機(jī)“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究與應(yīng)用，以滿足現(xiàn)代企業(yè)宏觀上“自動(dòng)、智能”的設(shè)備訴求，微觀上“安全穩(wěn)定、高效低耗”的無(wú)人化生產(chǎn)需求。
研究思路
1）傳統(tǒng)操作流程。
目前國(guó)內(nèi)礦山大部分副井提升機(jī)提升作業(yè)的操作流程如下：
(1)人員提升過(guò)程 人工叫罐后，信號(hào)工發(fā)出信號(hào)，通知提升機(jī)司機(jī)操作罐籠到達(dá)叫罐水平，罐籠到位后，信號(hào)工操作操車系統(tǒng)下放遙臺(tái)，打開安全門，乘罐人員手動(dòng)提放罐簾門后進(jìn)出罐籠。安全確認(rèn)環(huán)節(jié)均由信號(hào)工負(fù)責(zé)。
(2)礦車提升過(guò)程 人工叫罐后，信號(hào)工發(fā)出信號(hào)，通知提升機(jī)司機(jī)操作罐籠到達(dá)叫罐水平，罐籠到位后，信號(hào)工操作操車系統(tǒng)下放遙臺(tái)，打開安全門，操作工手動(dòng)提放罐簾門后，推拉小礦車進(jìn)出罐籠。安全確認(rèn)環(huán)節(jié)均由信號(hào)工負(fù)責(zé)。
2）智能控制方案。
與傳統(tǒng)的副井提升機(jī)運(yùn)行模式相比，筆者提出了人員、礦車從叫罐、候罐、入罐、提升到出罐的“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”的智能控制方案。
(1)操作“一鍵式” 系統(tǒng)可一鍵啟動(dòng)，提升機(jī)系統(tǒng)設(shè)備一體化聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。研發(fā)了罐籠內(nèi)外機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，隔空驅(qū)動(dòng)罐內(nèi)阻車器和卷簾門，實(shí)現(xiàn)了罐內(nèi)阻車器解鎖與卷簾門開閉動(dòng)作的自動(dòng)化。
(2)運(yùn)行“電梯式” 提升過(guò)程中，可自動(dòng)安檢防護(hù)、自動(dòng)操車、自動(dòng)發(fā)送信號(hào)、智能搜尋目標(biāo)水平，達(dá)到電梯式運(yùn)行。利用推拉機(jī)的自動(dòng)推拉機(jī)頭及其輔助機(jī)頭升降鉤爪裝置，實(shí)現(xiàn)了罐籠裝卸礦車過(guò)程的機(jī)械自動(dòng)化。
(3)監(jiān)控 N+1 式 監(jiān)控高度集中，無(wú)需信號(hào)工和操作司機(jī)，在指揮中心設(shè) 1 名司機(jī)集中巡視，并監(jiān)控 3 套副井提升系統(tǒng)的運(yùn)行。研發(fā)了智能安全監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，虛擬應(yīng)用罐籠速度與位置編碼技術(shù)智能搜尋目標(biāo)水平，配裝了全自動(dòng)化的提升運(yùn)行控制軟硬件設(shè)備系統(tǒng)。
通過(guò)以
上措施，可實(shí)現(xiàn)副井提升機(jī)“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”的目標(biāo)。
核心技術(shù)方案
要實(shí)現(xiàn)副井提升機(jī)運(yùn)行模式的智能化，需要減少操作流程中的人工環(huán)節(jié)，同時(shí)解決副井提升機(jī)自動(dòng)選擇罐籠停靠水平的難題。
1）操作“一鍵式”。
“一鍵式”操作即讓各層作業(yè)人員可以像操作電梯一樣，按鍵叫罐后，在候罐區(qū)選擇到達(dá)平臺(tái)，人員及設(shè)備的裝卸作業(yè)均由提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中，罐簾門的升降以及安全門的開閉均自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)作前的每一個(gè)環(huán)節(jié)，由安全監(jiān)測(cè)機(jī)器人自動(dòng)辨別確認(rèn)。
（1）1罐簾門自動(dòng)升降裝置
罐簾門自動(dòng)升降是提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此研發(fā)了外置動(dòng)力自動(dòng)罐簾裝置。該裝置主要由液壓推桿裝置、動(dòng)鉤配重裝置、鉤爪車組、曲軌、導(dǎo)向輪組等組成，如圖 1 所示。
1.曲軌 2.鉤爪組件 3.動(dòng)鉤配重裝置 4.液壓推桿裝置
圖1 自動(dòng)罐簾裝置示意
罐簾門開啟時(shí)，通過(guò)外置液壓推桿驅(qū)動(dòng)鉤爪車組，使動(dòng)鉤配重裝置下行；罐簾門下放時(shí)，通過(guò)外置液壓推桿驅(qū)動(dòng)鉤爪車組上行，使罐簾門靠重力自動(dòng)下放。該方式解決了人工挑掛開啟、摘鉤放落罐簾門的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了隔空動(dòng)力卷升、重力下放罐簾。
（2） 罐籠自動(dòng)裝卸
目前，礦車出入罐依靠人力推拉，作業(yè)效率低，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境差。運(yùn)用機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，筆者研發(fā)了推車機(jī)機(jī)頭自動(dòng)抓爪裝置。該裝置主要由推拉機(jī)頭推車及拉車，實(shí)現(xiàn)礦車自動(dòng)進(jìn)出罐籠；同時(shí)外置液壓機(jī)械觸手裝置，可自動(dòng)打開管內(nèi)阻車器。
在推車入罐以及拉車卸罐時(shí)，借助激光掃描裝置輔助監(jiān)測(cè)判別運(yùn)礦車的位置和運(yùn)行區(qū)域的安全。主要操作過(guò)程為：①將激光掃描儀初始化，識(shí)別礦車正常停車區(qū)域，然后記憶；② 罐籠裝車時(shí)，啟動(dòng)車廂激光掃描儀對(duì)罐籠內(nèi)環(huán)境進(jìn)行雜物掃描分析，確認(rèn)無(wú)雜物后，控制推拉機(jī)運(yùn)行至待裝小車位，推動(dòng)小車入罐行走，當(dāng)觸及阻車器鎖車裝置時(shí)，阻車器鎖車，待系統(tǒng)確認(rèn)小車停車位置正確、鎖車抓爪鎖車到位后，控制推拉機(jī)反向歸位停車待命，然后向提升控制系統(tǒng)發(fā)送提升運(yùn)行信號(hào)，提升系統(tǒng)開始提升，罐籠裝車流程結(jié)束；③罐籠卸車時(shí)，控制系統(tǒng)停車到位后，控制推拉機(jī)向罐籠方向移動(dòng)行走，當(dāng)觸及阻車器解鎖裝置時(shí)，停止行走，機(jī)頭自動(dòng)閉合抓住小車，同時(shí)阻車器自動(dòng)解鎖，待系統(tǒng)確認(rèn)阻車器解鎖完畢后，控制推拉機(jī)反向行走至預(yù)定小車停車位，并張開機(jī)頭放下小車，返回至預(yù)定停機(jī)位待命；④ 啟動(dòng)激光掃描儀對(duì)車廂內(nèi)環(huán)境進(jìn)行掃描檢查，確認(rèn)無(wú)雜物后，向提升控制系統(tǒng)發(fā)送提升運(yùn)行信號(hào)，提升系統(tǒng)開始提升，罐籠卸車流程結(jié)束。自動(dòng)抓爪裝置如圖 2 所示。
圖2 自動(dòng)抓爪裝置示意
（3）罐籠定點(diǎn)充電裝置
因運(yùn)行需要，全自動(dòng)副井提升機(jī)罐籠內(nèi)安裝有電控箱、照明燈具、檢測(cè)傳感器、激光掃描儀、攝像機(jī)、對(duì)講機(jī)等多種監(jiān)控通信設(shè)備，耗電量比較大。若采用更換電池的方式供電，因電池容量較大、本體較重，更換時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且電池更換過(guò)程影響提升機(jī)運(yùn)行，既不科學(xué)，又不經(jīng)濟(jì)?；谔岣哒{(diào)速質(zhì)量和節(jié)能的目的，研發(fā)了自適應(yīng)滑接供受電裝置，如圖 3 所示，定點(diǎn)向罐籠內(nèi)供電電源補(bǔ)充電能。罐籠行駛到充電點(diǎn)位后，充電滑觸板和受電滑觸板緊密接觸，自動(dòng)充電。充電控制系統(tǒng)設(shè)有防過(guò)充保護(hù)，當(dāng)電能存儲(chǔ)器充電達(dá)到總電量的 95% 時(shí)，自動(dòng)斷電。
圖3 定點(diǎn)充電裝置示意
2）運(yùn)行“電梯式”的實(shí)現(xiàn)
“電梯式”運(yùn)行是指提升機(jī)可以像電梯一樣，通過(guò)安全智能監(jiān)控實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了以下功能：
(1)提升機(jī)運(yùn)行操作具備唯一性，實(shí)現(xiàn)了上位集中監(jiān)控與駕駛臺(tái)操作互切互鎖功能；
(2)提升機(jī)操控系統(tǒng)、操車控制系統(tǒng)以及罐籠設(shè)備間通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，具備了聯(lián)動(dòng)控制功能；
(3)為安全門、罐簾門、搖臺(tái)操作以及罐籠選層設(shè)置了安全檢測(cè)裝置，具備了動(dòng)作狀態(tài)冗余檢測(cè)功能，進(jìn)一步提升運(yùn)行安全；
(4)研發(fā)了安全檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，具備現(xiàn)場(chǎng)安全檢查確認(rèn)和信號(hào)自動(dòng)發(fā)送功能；
(5)搭建了視頻監(jiān)控、通信、語(yǔ)音播報(bào)、聲光預(yù)警、應(yīng)急呼叫處置等安全輔助功能；
(6)各水平井口操作箱設(shè)置了提升機(jī)手動(dòng)閉鎖開關(guān)，防止在運(yùn)行過(guò)程中誤啟、誤動(dòng)。
以上述 6 項(xiàng)功能為基礎(chǔ)，采用目標(biāo)水平智能尋址，實(shí)現(xiàn)了提升罐籠自動(dòng)尋找泊位。其主要原理是：①預(yù)先為井筒內(nèi)各水平井口設(shè)定一個(gè)物理地址，按照罐籠提升鋼絲繩行進(jìn)長(zhǎng)度與各水平井口標(biāo)高的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)定各水平井口對(duì)應(yīng)提升鋼絲繩行進(jìn)長(zhǎng)度的軟地址，建立系統(tǒng)目標(biāo)地址核算的參變量；② 在井筒內(nèi)各水平井口安裝罐籠位置檢測(cè)開關(guān)，檢測(cè)罐籠到達(dá)與通過(guò)信號(hào)，為系統(tǒng)反饋罐籠當(dāng)前物理位置地址，建立目標(biāo)地址核算的核對(duì)參照點(diǎn)；③在提升機(jī)導(dǎo)向輪安裝速度編碼器，實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)速，為系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算罐籠提升鋼絲繩的行進(jìn)長(zhǎng)度，獲取罐籠當(dāng)前井口位置提供核算數(shù)據(jù)；④ 現(xiàn)場(chǎng)操作箱設(shè)有目標(biāo)位置選擇按鍵，用于鍵入提升目標(biāo)水平井口物理地址。
提升罐籠自動(dòng)尋址系統(tǒng)可確定罐籠與井筒各水平的相對(duì)位置，自動(dòng)控制罐籠?？康轿?，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選層，如圖 4 所示。該系統(tǒng)由副井提升罐籠自動(dòng)尋址主機(jī) XZ、井筒各水平井口現(xiàn)場(chǎng)選層鍵盤 DXn、罐籠位置傳感器 DJn、滾筒轉(zhuǎn)速檢測(cè)編碼器 B 及其信號(hào)采集通信裝置組成。DXn 鍵入目標(biāo)地址數(shù)據(jù)，DJn 檢測(cè)滾筒轉(zhuǎn)速并反饋罐籠當(dāng)前位置地址數(shù)據(jù)，B 檢測(cè)反饋罐籠當(dāng)前位置軟地址，各種檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖輸入到 XZ內(nèi)，XZ 計(jì)算、核對(duì)、查找確定目標(biāo)地址，然后向副井提升機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送罐籠到位停機(jī)信號(hào)。
圖4 自動(dòng)尋停系統(tǒng)示意
3）智能監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。
（1） 智能安全監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)
安全監(jiān)測(cè)機(jī)器人將各種安全監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)化，通過(guò)邏輯程序，賦予系統(tǒng)安全確認(rèn)的職能，從而代替信號(hào)工。該系統(tǒng)包含以下功能模塊。
①IC 卡人員自動(dòng)識(shí)別裝置 為現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)按鍵加上識(shí)別鎖，甄別操作人員的操作資質(zhì)，通過(guò)設(shè)定操作權(quán)限，杜絕非資質(zhì)人員的操作隱患。
②閉鎖控制軟件 利用激光掃描儀、無(wú)線通信設(shè)備和智能判斷分析軟件，組成區(qū)域環(huán)境自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)，在確認(rèn)環(huán)境檢測(cè)安全、設(shè)備狀態(tài)正常后，閉鎖控制軟件自動(dòng)發(fā)送提升信號(hào)，取消了信號(hào)工聯(lián)系確認(rèn)環(huán)節(jié)。
③紅外光幕防闖入裝置 井口候罐區(qū)域設(shè)置紅外光幕裝置，執(zhí)行警示防控職責(zé)。利用光電檢測(cè)傳感器、閃爍光柵警示器和監(jiān)控軟件，組成提升安全區(qū)間警示門禁系統(tǒng)，為現(xiàn)場(chǎng)人員提供光幕警戒信號(hào)，為提升機(jī)控制系統(tǒng)提供播報(bào)警告和驅(qū)離音響信號(hào)，在提升運(yùn)行過(guò)程中人員闖入可聲光、語(yǔ)音報(bào)警。
④ 激光掃描檢測(cè)裝置 這是人員和礦車出入罐籠前安全監(jiān)測(cè)的核心設(shè)備，可自動(dòng)檢測(cè)罐籠內(nèi)外操作區(qū)域有無(wú)雜物、人員，是開閉罐簾門和安全門、升降搖臺(tái)的安全前提條件。
⑤磁電傳感裝置 冗余設(shè)置，利用非接觸式電磁檢測(cè)傳感器、光電傳感器與分析軟件，組成設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)檢測(cè)確認(rèn)系統(tǒng)，自動(dòng)檢查確認(rèn)搖臺(tái)、安全門、罐簾門、阻車器狀態(tài)，避免引發(fā)設(shè)備故障，同時(shí)將設(shè)備狀態(tài)反饋給系統(tǒng)軟件。
智能安全監(jiān)測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的主要原理是：利用身份識(shí)別、激光掃描儀、電磁檢測(cè)、警示光柵門禁、無(wú)線通信和 PLC 控制技術(shù)，自動(dòng)防控非資質(zhì)人員的誤操作，智能監(jiān)控提升運(yùn)行區(qū)間和操車設(shè)備動(dòng)作區(qū)域的安全，自動(dòng)檢查確認(rèn)操車設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)，使副井提升運(yùn)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)安全檢查確認(rèn)。
（2） “N+1”監(jiān)控模式
針對(duì)“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”控制系統(tǒng)高度集中和自動(dòng)化的特點(diǎn)，制定了“N+1”式提升運(yùn)行監(jiān)控模式，其中 N 代表信號(hào)工數(shù)量，1 代表 1 名提升機(jī)監(jiān)控司機(jī)，N 取 3 或 0。
①3+1 模式 馬城鐵礦共 3 條副井，設(shè)置 3名信號(hào)工與 1 名監(jiān)控司機(jī)，協(xié)同監(jiān)控或操作 3 條副井提升機(jī)的運(yùn)行。信號(hào)工在井口遠(yuǎn)程音、視頻現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，手動(dòng)操車和發(fā)送信號(hào)。監(jiān)控司機(jī)在集控室巡視監(jiān)控或操作 3 臺(tái)副井提升機(jī)運(yùn)行，處理應(yīng)急事件。
①0+1 模式 信號(hào)工由安監(jiān)機(jī)器人取代，只有 1 名監(jiān)控司機(jī)，乘員或其他資質(zhì)提升操作人員利用現(xiàn)場(chǎng)操作裝置叫罐、啟動(dòng)提升系統(tǒng)。監(jiān)控司機(jī)在集控室巡視監(jiān)控 3 條副井提升機(jī)的運(yùn)行，處理應(yīng)急事件。
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，綜合 2 種模式的特點(diǎn)，在正常生產(chǎn)提升時(shí)，采用“0+1”模式；在提運(yùn)大型設(shè)備或系統(tǒng)檢修等特殊作業(yè)時(shí)，采用“3+1”模式。
應(yīng)用效果
通過(guò)提升機(jī)“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”智能運(yùn)行模式，解決了制約副井提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的多個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，提升了副井提升機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了減員增效，表 1 所列為傳統(tǒng)模式與智能模式操控人員的對(duì)比情況。由表 1 可以看出，較傳統(tǒng)模式，智能模式通過(guò)增加全自動(dòng)運(yùn)行功能，大幅度減少了操控人員，3 條副井可以節(jié)省司機(jī)、信號(hào)工 133 名，按照人均工資 8 萬(wàn)元/a 計(jì)算，每年節(jié)省費(fèi)用 1 064 萬(wàn)元。
表1 2 種模式人員配置對(duì)比
2019 年 12 月，馬城鐵礦 1 號(hào)副井提升機(jī)按照“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”控制系統(tǒng)集成裝配完畢，并進(jìn)行了安裝測(cè)試。通過(guò)模擬提升作業(yè)過(guò)程，系統(tǒng)不但具備“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”效能特征，而且安全、穩(wěn)定，完全達(dá)到了實(shí)用技術(shù)要求，每項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的功效性能均達(dá)到了安全穩(wěn)定、動(dòng)作精準(zhǔn)的目標(biāo)要求。
結(jié)語(yǔ)
副井提升機(jī)“一鍵式操作、電梯式運(yùn)行”模式，解決了傳統(tǒng)副井提升機(jī)存在的提升效率低、人力資源占用多、成本高的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，解脫了人力輔助拉卸罐載運(yùn)礦車時(shí)的高強(qiáng)度勞動(dòng)，規(guī)避了人力作業(yè)、人為誤操作的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了副井提升機(jī)的運(yùn)行效能。以“國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn)”的智能地采礦山為建設(shè)目標(biāo)，滿足了降本增效競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制下的安全穩(wěn)定、高效低耗設(shè)備的訴求，并使國(guó)家安監(jiān)總局推進(jìn)的“副井提升機(jī)機(jī)器人替代工程”得到了落實(shí)。
（以上論文資料采編自《礦山機(jī)械雜志》公眾號(hào)（2021.08.20），原文作者：張紅慶。本文僅用于技術(shù)論壇內(nèi)部交流，如有侵權(quán)。請(qǐng)聯(lián)系編者刪除。）
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