河北石人溝鐵礦井下鏟運機無線遙控系統(tǒng)設(shè)計

王亞東 田廣才 劉 梅 麻洪月

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司；2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦)

石人溝鐵礦井下鏟運機由作業(yè)人員駕駛進(jìn)入礦房鏟裝作業(yè)，礦房內(nèi)時常會發(fā)生頂板浮石冒落現(xiàn)象，極大威脅到作業(yè)人員的生命安全。該礦采用國產(chǎn)小型井下鏟運機進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，其控制方式基本為手動機械式操作，本研究通過對其進(jìn)行改造設(shè)計，實現(xiàn)對鏟運機進(jìn)行無線遙控，在保障駕駛員人身安全的同時，提高開采效率。

1 無線遙控系統(tǒng)總體設(shè)計

石人溝鐵礦井下鏟運機無線遙控系統(tǒng)主要由先導(dǎo)液控單元、車載控制器單元、車載操作單元、車輛狀態(tài)監(jiān)測單元和遙控器單元組成(圖1)。車載控制器通過切換開關(guān)判定輸入的操作信號，當(dāng)切換開關(guān)打到本地時，車載控制器僅接收和處理車載操作單元信號，當(dāng)切換開關(guān)打到遙控時，車載控制器僅接收處理遙控器單元信號。遙控器或車載操作單元發(fā)出的各種作業(yè)指令通過車載控制器單元處理和判定后，將正確的操作指令傳達(dá)給先導(dǎo)液控單元和其他執(zhí)行設(shè)備，最終實現(xiàn)對鏟運機進(jìn)行控制(如發(fā)動機啟停、發(fā)動機油門控制、剎車、車輛轉(zhuǎn)向、鏟斗翻轉(zhuǎn)、大臂升降、變速箱換擋等)。車輛狀態(tài)監(jiān)測單元實時監(jiān)測車輛的運行狀態(tài)(如皮帶斷帶、缸蓋溫度、機油壓力與溫度、液壓油溫度、液壓油回油堵塞、剎車系統(tǒng)蓄能器壓力等)。當(dāng)車輛狀態(tài)監(jiān)測單元接收到報警信號后，發(fā)送給車載控制器單元，控制器根據(jù)報警信號類別發(fā)出緊急停車或剎車指令，確保車輛運行安全。無線收發(fā)器作為遙控器單元的組成部分，將接收的遙控器的各項操作指令發(fā)送給車載控制器，并將車載控制器發(fā)出的車輛狀態(tài)信息反饋給遙控器。

圖1 無線遙控系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 先導(dǎo)液控單元

系統(tǒng)先導(dǎo)液控單元利用鏟運機剎車系統(tǒng)提供的高壓液壓油，經(jīng)減壓溢流閥1將液壓油壓力調(diào)整至系統(tǒng)所需水平，而后供給電比例減壓溢流閥組3、4，電比例減壓溢流閥組3、4接收到控制器信號后進(jìn)行動作，輸出所需壓力的先導(dǎo)液壓油，對轉(zhuǎn)向閥5和工作閥6的閥芯位置進(jìn)行控制，最終實現(xiàn)鏟運機作業(yè)時動作控制，包括車輛轉(zhuǎn)向、鏟斗翻轉(zhuǎn)和大臂升降(圖2)[1-4]。同時在系統(tǒng)中增加蓄能器，確保整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖2 先導(dǎo)液控單元

2.2 車載控制器單元

系統(tǒng)車載控制器單元采用32位模塊化架構(gòu)[5-7]，支持 CANopen、SAEJ1939和自定義通訊協(xié)議[8-10]，使用 CoDeSys軟件進(jìn)行內(nèi)嵌程序編譯可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯控制(圖3)[11]。

圖3 車載控制器單元

2.3 車載操作單元

系統(tǒng)車載操作單元包括轉(zhuǎn)向控制手柄、工作控制手柄、換擋手柄、電磁閥換擋機構(gòu)、電子油門踏板和電子油門執(zhí)行器(圖4)，其中轉(zhuǎn)向電磁閥組和工作電磁閥組即為圖2中電比例減壓溢流閥組3、4。轉(zhuǎn)向手柄和工作手柄輸出0～5 V模擬量信號至車載控制器，車載控制器接收信號后按比例輸出0～600 mA電流，控制對應(yīng)的電比例減壓溢流閥開度，最終實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向、鏟斗翻轉(zhuǎn)、大臂升降的動作和快慢。電子油門踏板根據(jù)駕駛員踩踏深淺的不同，輸出0～5 V模擬量信號至車載控制器，車載控制器通過H橋驅(qū)動電子油門執(zhí)行器的伸縮長度，實現(xiàn)對發(fā)動機油門的控制。換擋手柄根據(jù)駕駛員的需要，向車載控制器輸出開關(guān)量信號，車載控制器根據(jù)信號的不同控制電磁閥換擋機構(gòu)，實現(xiàn)對變速箱前進(jìn)檔、空擋、倒檔和1、2、3檔的控制。

圖4 車載操作單元

2.4 車輛狀態(tài)監(jiān)測單元

系統(tǒng)車輛狀態(tài)監(jiān)測單元包括遠(yuǎn)程I/O模塊、皮帶斷裂傳感器、機油壓力和溫度傳感器、缸蓋溫度傳感器、液壓油溫度傳感器、液壓油回油杜塞傳感器、剎車系統(tǒng)蓄能器壓力傳感器等(圖5)。

圖5 車輛狀態(tài)監(jiān)測單元

2.5 遙控器單元

系統(tǒng)遙控器單元包括操作機構(gòu)(操作手柄、按鈕、換擋開關(guān)、撥動開關(guān))，顯示報警機構(gòu)(1個OLED顯示模塊及1個蜂鳴器)，無線收發(fā)器(1個無線收發(fā)模塊模塊及其天線)，電源(電池、DC-DC電源模塊、電壓模擬量輸出部分)以及核心控制器(1個核心控制板)(圖6)[12]。

圖6遙控器單元

3 結(jié) 語

對石人溝鐵礦井下鏟運機的無線遙控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)經(jīng)過2個月的研發(fā)、測試、安裝和調(diào)試，現(xiàn)已在該礦露天料場進(jìn)行了試驗，不但保障了鏟運機安全運行，而且提高了采場作業(yè)效率。