基于无线通信技术的1354凿岩台车远程遥控技术研究

刘　旭，金　枫，吕　潇,张元生

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京 102628；3.金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

随着地上矿产资源的减少，矿产开采由露天逐渐转移到地下，凿岩作业是井下矿山生产过程重要的环节，而凿岩台车是凿岩作业重要的生产装备，能够显著提高生产效率。目前，Simba 1354凿岩台车适合我国矿山的地下开采环境，并且该装备在我国多个矿山应用，该凿岩台车主要是采用有线方式进行控制，控制信号线有70多条，分为两根电缆传输。通常凿岩台车在工作的过程中被移动，传输电缆将被拖在地上跟着凿岩台车一起移动，不仅导致凿岩台车移动不方便，电缆还容易出现磨损，同时钻孔落石和移动拖拽会对电缆造成破坏，影响控制信号的传输，甚至设备停运，影响正常生产，最致命的是凿岩台车在打孔过程中的落石可能成为操作人员的安全隐患。

随着无线技术应用在各行各业的逐步普及，无线控制技术在矿业设备控制中发挥了很大的作用[1]。本文通过对1354凿岩台车控制原理进行研究，研制基于无线通信技术的1354凿岩台车远程控制系统，该系统能够提高凿岩台车生产作业效率，改善井下操作人员的工作环境，对提高矿山井下作业的安全具有重要作用。

1　总体设计

Simba 1354凿岩台车控制系统有两个面板：定位板、钻孔板。通过将有线遥控方式设计成为无线控制方式，遥控发送器实时检测手柄、开关、旋钮等信息，将这些信号以无线方式传给遥控接收器，接收器将收到的信号解析处理，输出到台车电气箱，完成定位、钻孔指令[2]，总体设计见图1。

图1　1354凿岩台车远程遥控总体设计

本文采用433 MHz无线通信技术，该无线通信技术工作频段相对没有太多干扰，并且433 MHz工作频率低，绕射性能好，传输时耗损小，适应井下巷道环境下使用。

2　1354凿岩台车操作原理

Simba 1354钻孔机的操作界面由钻孔操作台和定位操作台两部分组成，如图2和图3所示。钻孔操作台和定位操作台均为继电式开关，所以产生的均为数字量信号，从面板分析可知总共有22个量，CAN总线信号主要展现的是显示屏D501对钻头倾斜角和钻孔深度的显示，对得到信号进行梳理总结了所要处理的信号类型及数量。Simba 1354钻孔机无线控制设计中需要实现55路数字量、1路模拟量和CAN总线信号的无线数据可靠性传输。

3　433 MHz无线通讯模块设计

本遥控单元的遥控器和接收器采用CC1101无线通信模块，该无线通讯模块支持315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM频段，该模块具有传输速率高、窄带抗干扰性强、接收灵敏度高、传输稳定可靠，距离远、低功耗等优点。接收灵敏度最高能够达到-115 dBm，采用FSK、GFSK 、DSSS 调制方式能够提高数据抗干扰能力[3]，无线射频模块电路设计见图4。

图2　钻孔操作台

图3　定位操作台

图4　无线射频模块电路设计

遥控单元通过串口与无线通信模块连接，433 MHz无线模块软件工作流程见图5。

图5　无线通讯模块工作流程图

4　遥控单元设计

本文设计遥控控制单元用于控制复杂的行走以及机械作业。遥控控制单元采用的STM32的核心处理器，凭借72 MHz的时钟频率和并行处理能力，在性能方面获得了全新提升，实现了从比例电磁铁的可编程控制和额外切换功能扩展到行走驱动和传动控制，以及行走机械高复杂性控制电路的协调。高达64个输出(0%*Vbat至100%*Vbat)、8个模拟输入、10个数字输入以及1个用于智能通信的CAN总线，这些控制单元为行走机械的所有功能提供了高性能平台。

控制板所采用的STM32处理器以及所有输入和输出电路，模拟电压范围0～24 V、0～10 V，电流0～20 mA，频率0～10 kHz，开关信息作为输入信号处理。另外，输入受到保护，以防过电压和电气干扰[4-5]。电压输入可以进行监控，以检测电缆断路或短路。对电流控制的比例电磁铁输出进行脉宽调制(PWM)，并对温度和电压波动进行补偿，以保证高精确度和最小滞后。开关输出设计用于继电器和切换电磁铁的直接通断。此外，输出还具有集成电压和电流监控功能。

5　系统应用

将改造的1354凿岩台车远程控制系统应用到

某矿山企业，经过实际测试能够满足现场使用要求，大大提高了生产效率和保障了员工安全，并改善了井下操作人员的工作环境。同时，通过无线方式控制凿岩台车，每年因线缆拖拽等造成的损耗由原先的几十万元成本降为零损耗，见表1。

表1　凿岩台车有线和无线操作方式对比

6　结　论

本文通过采用基于无线通信技术实现了1354凿岩台车远程控制，在很大程度上降低了劳动成本及矿山企业生产成本，提高了凿岩效率，改善了井下操作人员的工作环境。实现自动化遥控系统甚至无人作业工作面是采矿技术的发展趋势，而在此过程中，遥控系统的开发和应用是其中必不可少的一部分，其可实现矿山相关系统井下远程化甚至无人化操作，对提升安全作业水平具有重要意义。