无人驾驶电机车自动卸矿技术研究与应用.pdf
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1、第 38 卷 第 1 期2024 年 2 月有色设备NONFERROUS METALLURGICAL EQUIPMENTVol.38 No.1Feb.2024无人驾驶电机车自动卸矿技术研究与应用黄金武,王雪峰,张正飞,俞进发(江西铜业股份有限公司 德兴铜矿,江西 德兴 334200)摘摇 要 5G、云计算、AI 等 ICT 技术飞速发展,为传统矿山提供了全新的发展机遇。矿山面临资源不足、开采难度递增、单位矿石生产成本高、未来劳动力风险大等关键的结构性问题,迫切需要数字化、智能化手段加以解决。原矿石窄轨运输是矿山开采的重要工艺,无人驾驶电机车的部署对智能矿山建设意义重大,电机车无人驾驶作业过程中
2、自动卸矿是无人驾驶的重要环节,也是无人驾驶需要突破的技术难点。本次研究应用激光传感器、激光雷达料位计、AI 视觉、射频信标、高精编码等新技术的融合,完成电无人驾驶机车自动卸矿复杂工艺,能达到电机车无人驾驶目标及生产效率要求。关键词 自动对位;360毅旋转式翻笼;自动卸矿;自动摘挂钩;电机车无人驾驶中图分类号 TD64摇 摇 摇 文献标志码 A摇 摇 摇 文章编号 1003-8884(2024)01-0075-05DOI:10.19611/11鄄2919/tg.2024.01.012收稿日期 2023-11-29第一作者 黄金武(1989),男,湖南邵阳人,工程师,大学本科,主要从事矿山设备管理
3、、自动化、数字化、智能化改造相关工作,现任江西铜业股份有限公司德兴铜矿数字化部副部长。引用格式 黄金武,王雪峰,张正飞,等.无人驾驶电机车自动卸矿技术研究与应用J.有色设备,2024,38(1):75-79.0摇 前言当前我国金属非金属矿山等重点行业的安全生产形势严峻,推进两化融合,应用大数据、物联网、移动互联等技术,实现矿山安全生产管理水平提档升级,是改变传统行业生产管理的新途径。铁路运输智能化控制系统是实现生产一线少人无人化的一个有效途径,使得运输有效时间大幅提升。本次研究应用针对铁路运输环节工作环境恶劣、工作效率低、人工作业强度大、系统分散和智能化水平低等难题。以无人驾驶电机车系统为基础
4、,研究电机车无人驾驶系统中自动卸矿技术,该技术可以彻底取消电机车运输卸矿工艺环节的现场工作人员,从本质上解决了生产运输环节的效率及安全问题1-3。1摇 实施背景及意义德兴铜矿铁路运输系统是一条单程长 7 km,轨距为 750 mm 的水平窄轨铁路,共有 3 条放矿轨、48 个振动放矿斗、7 个隧道、51 组电动道岔、3 个卸矿站场,5 座 360 度旋转翻笼。承担每日约 4 万 t 原矿拉运卸任务,行车密度为每 6 min 一趟,一天 140余趟,每趟 18 节车斗、每节车斗长约 7 m。矿石经破碎站破碎后,电机车司机按调度指令将列车开至指定的装矿轨道,通过振动给矿机装满矿,由电机车输送至选矿
5、厂各卸矿点卸矿。为提高运矿铁路安全性,改善操作环境、提高生产效率,实现减员增效,通过对电机车进行智能化升级,对装运卸工艺进行自动化改造,建设通信网络、集控中心、安全保障系统、智能调度系统、生产设备信息系统视频监控及牵引变电所改造,在现有微机联锁信号系统基础上,实现适合现场的铁路运输智能化升级,达到整个铁路运输作业全流程无人驾驶。自动卸矿技术目前在国内电机车无人驾驶系统中,目前还没有项目达到在 360毅旋转翻笼卸矿过程中无人干预自动卸矿水平,主要原因是车斗的定位停靠精度难以达到、翻笼的水平位自动调整控制难、车头与车斗自动摘挂钩技术应用不完善,本文结合德兴铜矿电机车无人驾驶系统,开展研究无人驾驶电
6、机车自动卸矿技术应用4-5。2摇 旋转翻笼自动卸矿技术2郾 1摇 无人驾驶电机车卸矿作业概述电机车到达卸载站时自动调整到给定速度,避免引发编组速度过高造成对设备的冲击。在卸载站两端安装摄像头,远程监视卸载站设备运行状态。编组到达指定卸载站之后,由自动摘挂钩装置摘钩并且经绕道绕至编组后方挂钩,此时经过电机车定位校准装置,对编组进行位置校准,校准后电机车位置误差可达厘米级。自动摘挂钩系统带有到位检测开关,到位检测开关对挂钩是否插拔到位进行检测,未到位情况下机车处于等待状态,无法进行下一步动作。调度系统发出指令推动编组进入翻笼,此时速度较快不小于人工驾驶的速度,在编组达到停车位置前经过第一个对位开关
7、,编组减速缓慢驶入翻笼。编组矿车缓慢行驶,达到第二个对位开关后,翻笼立即启动。翻笼旋转一圈后,翻笼精确位置对位装置发出反馈信号,系统连锁启动进行下一次卸矿。如果翻笼精确对位开关未检测到对准信号,系统自动点动调节翻笼位置,直到翻笼位置对准。编组卸载作业完成时,中控人员通过现场摄像头确认卸矿完成无误后方可给出确认信号,编组进入下一卸载循环。2郾 2摇 网络部署有轨运输无人驾驶系统建设一套覆盖全部运输线路的 5G 专网通讯系统,5G 专网可承载有轨运输无人驾驶系统的网络需求,包含电机车的可视化指挥调度,转辙机控制数据、翻笼卸矿机控制数据、WiFi 语音电话数据、视频监控数据、无人驾驶电机车控制数据,
8、以达到提高生产效率的目的。专网基站设备防护等级高,减少复杂的配套设施,减少故障点。终端适合矿山高尘、高震、高湿度的环境中稳定运行。电机车控制系统中设有与巷道和控制中心无线通讯系统,形成冗余配置,通过这两套通讯系统可以实时将电机车运行数据发送到集中控制中心,并在电机车上安装有摄像头,图像数据通过无线以太网实时传递到集控中心。2郾 3摇 总体技术路线及框架智能调度系统:智能调度系统可在控制室的调度工作站实时显示列车在运输轨道的位置、相应区间的道岔、信号灯状态、危险区段报警灯。操作员根据派车作业指令,统一协调指挥电机车运行路线和可开动时间,系统根据信号联锁规则,自动控制转辙机和信号灯的动作,自动控制
9、电机车运行到指定卸矿翻笼。总体技术路线:电机车进入卸矿翻笼区域前端时,电机车射频接收器读取固定信标位置减速停车,在智能调度系统的指导下,通过边缘计算模块与相对应的翻笼建立通讯,在翻笼处于待机状态下,电机车与车斗自动摘钩,按照设定程序在信集闭系统的配合下,电机车绕至车皮尾部完成自动挂钩,并推动车斗向卸矿翻笼驶入,在定位等设备的配合下,逐节完成自动卸矿。系统主要由激光传感器、激光雷达料位计、高精度编码器、多点光电开关、边缘计算单元、PLC 控制单元、通讯模块组成,控制系统架构简图如图 1 所示。图 1摇 卸矿站控制系统拓扑图摇2郾 4摇 翻笼及矿车位置检测控制原理通过在翻笼笼体增加编码器以及激光对
10、位开关,实现翻笼在翻转一周后准确对位,并且实现在因机械特性因素导致出现偏差时可快速自动补偿功能。系统可实现翻笼控制回路同矿仓料位连锁功能,在料位满矿时不能进行作业,保障翻笼及相关设备的作业安全。系统联动电机车速度控制,通过安装在轨道旁的传感器,在矿车即将到达翻67有色设备摇 2024 年第 1 期笼时就地发出减速指令,实现电机车自动减速,并且在矿车对准翻笼时连锁翻笼启动信号,进行翻矿作业,同时在翻笼旋转时切断架线电源,保证安全。2郾 5摇 自动摘挂钩控制原理由于使用 360毅卸矿翻笼卸矿设备,翻笼区域不能敷设高压架线,电机车头无法通过,需要卸矿时,电机车头需要绕至车斗尾部,将车斗推入翻笼执行卸
11、矿。无人驾驶电机车头上安装了 RFID 读卡器,当电机车头按照调度指令驶入预卸翻笼前端时,读卡器接收到地面信标信号后,车载控制主机执行两个动作,一是控制电机车减速刹车,二是对高精度编码器的定位进行标定,便于后续精准控制。当电机车刹停后,车载控制器控制无人摘挂钩机构进行脱钩,使电机车头与车斗脱离,电机车头按照信集闭与调度融合计算指令,开始变轨绕至车斗后方,当激光雷达检测到车头与车斗接近时,减速运行至车头与车斗连接器完全对位,车载控制器控制无人摘挂钩机构进行挂钩,使电机车头与车斗连接,电机车头往前牵引 3 秒,根据电机反馈电流,判断挂钩是否成功,若不成功重复挂钩操作,确保挂钩成功。自动摘挂钩装置由
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