淺談智能控制在大型露天礦半連續(xù)開采系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱占成　王嘉男　國占一

摘 要：與地下開采相比，露天煤礦具有資源利用充分、回采率高、經(jīng)濟(jì)效益好、生產(chǎn)安全等優(yōu)點。目前國際上露天煤礦開采的比例是50%，而我國只有10%，遠(yuǎn)低于國際平均水平。這其中一個重要原因就是大型露天裝備被國外壟斷，制約了我國露天采礦業(yè)的發(fā)展。與國外同類產(chǎn)品相比，目前國產(chǎn)千萬噸級露天煤礦半連續(xù)開采成套裝備的智能化方面尚有不足，嚴(yán)重限制該套成套裝備在國內(nèi)、國際市場的競爭力。因此，迫切需要研發(fā)型露天礦聯(lián)采成套裝備的配套自動化檢測、監(jiān)測、保護(hù)和控制系統(tǒng)，研發(fā)新一代大型工業(yè)裝備智能化技術(shù)和方法，保障系統(tǒng)運行的可靠性、安全性和高效性。

關(guān)鍵詞：智能控制；大型露天礦；半連續(xù)開采系統(tǒng)

1 概述

在露天煤礦中，開采工藝決定了開采成本，而成套裝備是開采工藝實現(xiàn)的前提。目前最先進(jìn)的開采工藝是以自移式破碎站為核心的半連續(xù)開采工藝，其主要工作過程是：電鏟或斗輪挖掘機(jī)-自移式破碎站-轉(zhuǎn)載機(jī)-移置式膠帶運輸機(jī)。

該套工藝的綜合開采成本僅為傳統(tǒng)“單斗-卡車”工藝的20%，且克服了“以油換煤”的重大問題，并因替代卡車簡化了生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低了環(huán)境污染。目前該套工藝和成套裝備已得到全世界認(rèn)可，尤其適合我國目前石油資源短缺的情況。目前我國的各大露天煤礦紛紛決定新的項目采用此工藝，因此對于聯(lián)采成套裝備具有重大的需求。

由于該套成套裝備價值高、利潤大，國外公司如德國克虜伯、英國MMD、瑞典山特維克公司等都想進(jìn)入這個市場。為保證我國露天煤礦裝備制造業(yè)的發(fā)展，避免能源受制于人，我公司經(jīng)過艱苦努力，自主開發(fā)出千萬噸級露天煤礦半連續(xù)開采成套裝備，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

目前國外公司開發(fā)的該系統(tǒng)裝備與我國同處于成長期，技術(shù)成熟度不高。從我國現(xiàn)有的開發(fā)基礎(chǔ)分析，如果國內(nèi)有研制實力的設(shè)備制造企業(yè)及相關(guān)專業(yè)院、校能及早動手，開展卓有成效的聯(lián)合攻關(guān)，我國完全有條件在這一領(lǐng)域趕超西方國家，盡早開發(fā)出國際先進(jìn)水平的成套裝備信息化與智能控制技術(shù)，迅速占領(lǐng)國內(nèi)外市場。

采用該成套裝備，可節(jié)約大量燃油，人力、輪胎消耗，突破目前國內(nèi)大型露天礦山開采“以油換礦”的瓶頸。改善原有工藝的高成本、高排放的現(xiàn)狀，主要設(shè)備國產(chǎn)化可大幅度減少設(shè)備投資，開發(fā)先進(jìn)的采礦工藝可使我國露天采礦業(yè)技術(shù)及其成套裝備的發(fā)展水平步入世界先進(jìn)行列，無論在技術(shù)創(chuàng)新理念，還是經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益方面都具有重要的現(xiàn)實意義。

因此本項目的實施不僅適應(yīng)我國科技發(fā)展和政策精神，也完全符合我國大型露天礦開采智能化的迫切需要。

2 裝備的智能功能

2.1 多臺大型裝備智能快速準(zhǔn)確自動對接功能

自移式破碎站半連續(xù)開采系統(tǒng)由單斗挖掘機(jī)、自移式破碎站、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)、等部分組成。工作過程中隨著采礦作業(yè)的進(jìn)行需要頻繁變動各個設(shè)備的工作工位。由于破碎站重量達(dá)上千噸且體積龐大，70多米長轉(zhuǎn)載機(jī)需要在起伏路面上兩端對接破碎站和受料車，加上受到風(fēng)力和負(fù)載擾動及煤粉干擾，對接難度很大。當(dāng)前國際上只能采用人工對接。本項目研制裝備具備多臺大型裝備智能快速準(zhǔn)確自動對接功能，能夠大幅度提高對接效率，有效克服如下缺點：第一、生產(chǎn)效率低。以克虜伯為例，其在電鏟需要在工作面小范圍移動時，自移式破碎站和自移轉(zhuǎn)載機(jī)需要人工微調(diào)，主要由短距離履帶直行和臂架回轉(zhuǎn)來完成，每次對接需要15-20分鐘，每小時需要對接一次（小對接）；在采掘面兩端需要調(diào)轉(zhuǎn)方向及移設(shè)后的重新對接，此時需要履帶大范圍轉(zhuǎn)彎、調(diào)整和臂架大幅度回轉(zhuǎn)、俯仰，需6-8個小時（大對接）。這樣，僅對接時間就占總工作時間的25%以上。第二、對設(shè)備安全有影響。由于露天礦粉塵較大，對接時經(jīng)常發(fā)生電鏟與料斗、破碎站與轉(zhuǎn)載機(jī)的碰撞，對設(shè)備的安全造成影響。第三、夜間無法作業(yè)。由于操作者的夜視能力限制，人工對接在夜間難以進(jìn)行，導(dǎo)致裝備不能在夜間工作。

為解決該問題，本裝備擬采用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新+智能對接技術(shù)。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新主要是對所設(shè)計的自移式破碎站和轉(zhuǎn)載機(jī)各增加一個回轉(zhuǎn)自由度；智能對接通過差分GPS和UWB元件實現(xiàn)定位。整個對接過程做到快速、準(zhǔn)確，能夠解決由于露天礦粉塵較大、嚴(yán)重影響傳感器精度，無法實現(xiàn)快速對接的難題。

2.2 大型裝備位姿感知及智能預(yù)警功能

千萬噸級露天煤礦半連續(xù)開采成套裝備，尤其是破碎站和轉(zhuǎn)載機(jī)體積龐大，工作在起伏不平的工作面上，而且時有轉(zhuǎn)彎運動發(fā)生，設(shè)備經(jīng)常保持在傾斜工況下，而且有爬坡、轉(zhuǎn)彎工況。在傾斜面，尤其是側(cè)面傾斜的工作面工作時，此外，露天礦環(huán)境風(fēng)速會超過30m/s。在這些惡劣條件下，裝備會有傾翻的危險。

采用智能控制結(jié)構(gòu)提高大型裝備側(cè)面工作能力和抗風(fēng)載傾覆能力；配置水平、豎直位置傳感器、風(fēng)速傳感器，實時監(jiān)測自移式破碎站行走姿態(tài)和風(fēng)速、并根據(jù)監(jiān)測信息及時實施裝備姿態(tài)（自移式破碎站上部機(jī)身可以360°回轉(zhuǎn)、排料臂可實現(xiàn)±75°回轉(zhuǎn)）及速度調(diào)整、危險姿態(tài)數(shù)值報警、高危姿態(tài)停車以保證設(shè)備安全可靠運行。

2.3 履帶智能調(diào)速及動力匹配功能

目前國內(nèi)外同類裝備的關(guān)鍵部機(jī)-自移式破碎站和轉(zhuǎn)載機(jī)，其行走速度完全靠人工操作，操作者根據(jù)行走工況調(diào)整履帶行走速度，尤其是轉(zhuǎn)彎工況需要雙履帶分別單獨驅(qū)動，根據(jù)經(jīng)驗實現(xiàn)動力匹配，因此在許多情況下不能達(dá)到最佳效果。

千萬噸級露天煤礦半連續(xù)開采成套裝備的行進(jìn)速度較低，針對履帶三種典型的轉(zhuǎn)彎情況（原地轉(zhuǎn)彎：一條履帶制動，另一條履帶前進(jìn)；滑移轉(zhuǎn)彎：一條履帶后退，另一條履帶前進(jìn)；大半徑轉(zhuǎn)彎：一條履帶前進(jìn)速度慢，另一條履帶前進(jìn)速度快），可以采用智能控制方法進(jìn)行調(diào)速及動力匹配，達(dá)到提高效率、降低能耗的目的。

研制履帶智能調(diào)速及動力匹配系統(tǒng)，針對履帶三種典型的轉(zhuǎn)彎情況，通過智能控制算法調(diào)整驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證在轉(zhuǎn)彎效果滿足的情況下耗能最??；也可以保證原地轉(zhuǎn)彎時滑移量最小。裝備具有自學(xué)習(xí)功能，可以通過算法學(xué)習(xí)滑行動計算最佳速度及各驅(qū)動電機(jī)功率，從而達(dá)到行走裝置的自動調(diào)速及動力匹配。

3 結(jié)束語

通過本成套裝備智能化實施，可提高效率，每套裝備每年增加經(jīng)濟(jì)效益億元以上，主要測算依據(jù)如下：采用自動準(zhǔn)確對接技術(shù)，可以大幅節(jié)省對接時間，提高總工作效率20以上；而且裝備可以在夜間工作。僅按提高工作效率20%計算，年產(chǎn)1000萬噸煤的生產(chǎn)線可以多采煤200萬噸，按每噸煤增加收益50元計算，可增收1億元人民幣以上；開發(fā)出裝備重要工作參數(shù)的自動測量及感知技術(shù)，并實現(xiàn)成套裝備工作狀態(tài)的開放互聯(lián)，完成套裝備的信息整合與深度挖掘，使大型裝備智慧化，從而提高企業(yè)裝備制造水平、應(yīng)用水平和管理水平，解決安全生產(chǎn)、培訓(xùn)等設(shè)備的管、用、養(yǎng)、護(hù)等問題。

參考文獻(xiàn)

[1]高永勝.露天采礦工程綜合評價與決策優(yōu)化[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)，2002.

[2]王忠強(qiáng)，才慶祥，張建勇.露天礦采掘設(shè)備能力的動態(tài)統(tǒng)計分析[J].化工礦山機(jī)械，1997，26（1）.

[3]張幼蒂，王玉浚.采礦系統(tǒng)工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[4]胡氫.智能控制技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展[J].煤礦機(jī)械，2006（6）：27.

[5]張德江.智能控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002（8）：23.

[6]韋巍.智能控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7]吳立新，汪云甲，丁恩杰，等.三論數(shù)字礦山-借力物聯(lián)網(wǎng)保障礦山安全與智能采礦[J].煤炭學(xué)報，2012，37（3）：357-365.