副井提升机自动控制技术的研究与应用

首钢滦南马城矿业有限责任公司 河北滦南 063501

传统的副井提升系统采用手动操控方式，该操控方式占用人力资源多、运行效率低、成本高[1]。传统副井提升系统主要存在 4 个问题：一是采用人工信号联络，手动操控，提升作业效率低；二是提升机设专职司机，各水平另设专职信号工，人工成本高；三是各环节需要人工安全检查确认，存在过失隐患风险；四是人力拉卸罐笼内载运矿车，劳动强度高。副井提升机自动化控制是地采矿山智能化发展的需要，国家安监总局下发了《关于开展“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动的通知》(安监总科技〔2015〕63 号文件)，将提升系统的无人值守管控列为了重点推进项目。随着智能监测控制技术的发展，全自动提升运行控制所需的技术与装备已成熟，只待集成创新开发[2]。

笔者对副井提升机“一键式操作、电梯式运行”的关键控制环节进行了研究与应用，以满足现代企业宏观上“自动、智能”的设备诉求，微观上“安全稳定、高效低耗”的无人化生产需求。

1 研究思路

1.1 传统操作流程

目前国内矿山大部分副井提升机提升作业的操作流程如下。

(1)人员提升过程 人工叫罐后，信号工发出信号，通知提升机司机操作罐笼到达叫罐水平，罐笼到位后，信号工操作操车系统下放遥台，打开安全门，乘罐人员手动提放罐帘门后进出罐笼。安全确认环节均由信号工负责。

(2)矿车提升过程 人工叫罐后，信号工发出信号，通知提升机司机操作罐笼到达叫罐水平，罐笼到位后，信号工操作操车系统下放遥台，打开安全门，操作工手动提放罐帘门后，推拉小矿车进出罐笼。安全确认环节均由信号工负责。

1.2 智能控制方案

与传统的副井提升机运行模式相比，笔者提出了人员、矿车从叫罐、候罐、入罐、提升到出罐的“一键式操作、电梯式运行”的智能控制方案[3]。

(1)操作“一键式” 系统可一键启动，提升机系统设备一体化联动运转。研发了罐笼内外机电一体化机械传动机构，隔空驱动罐内阻车器和卷帘门，实现了罐内阻车器解锁与卷帘门开闭动作的自动化。

(2)运行“电梯式” 提升过程中，可自动安检防护、自动操车、自动发送信号、智能搜寻目标水平，达到电梯式运行。利用推拉机的自动推拉机头及其辅助机头升降钩爪装置，实现了罐笼装卸矿车过程的机械自动化。

(3)监控 N+1 式 监控高度集中，无需信号工和操作司机，在指挥中心设 1 名司机集中巡视，并监控 3 套副井提升系统的运行。研发了智能安全监测机器人系统，虚拟应用罐笼速度与位置编码技术智能搜寻目标水平，配装了全自动化的提升运行控制软硬件设备系统。

通过以上措施，可实现副井提升机“一键式操作、电梯式运行”的目标。

2 核心技术方案

要实现副井提升机运行模式的智能化，需要减少操作流程中的人工环节，同时解决副井提升机自动选择罐笼停靠水平的难题。

2.1 操作“一键式”

“一键式”操作即让各层作业人员可以像操作电梯一样，按键叫罐后，在候罐区选择到达平台，人员及设备的装卸作业均由提升机自动运行实现。在此过程中，罐帘门的升降以及安全门的开闭均自动实现，动作前的每一个环节，由安全监测机器人自动辨别确认。

2.1.1 罐帘门自动升降装置

罐帘门自动升降是提升机自动运行的一个关键环节，为此研发了外置动力自动罐帘装置。该装置主要由液压推杆装置、动钩配重装置、钩爪车组、曲轨、导向轮组等组成，如图 1 所示。

图1 自动罐帘装置示意Fig.1 Sketch of automatic cage curtain

罐帘门开启时，通过外置液压推杆驱动钩爪车组，使动钩配重装置下行；罐帘门下放时，通过外置液压推杆驱动钩爪车组上行，使罐帘门靠重力自动下放。该方式解决了人工挑挂开启、摘钩放落罐帘门的问题，实现了隔空动力卷升、重力下放罐帘。

2.1.2 罐笼自动装卸

目前，矿车出入罐依靠人力推拉，作业效率低，现场工作环境差。运用机械传动技术[4]，笔者研发了推车机机头自动抓爪装置。该装置主要由推拉机头推车及拉车，实现矿车自动进出罐笼；同时外置液压机械触手装置，可自动打开管内阻车器。

在推车入罐以及拉车卸罐时，借助激光扫描装置辅助监测判别运矿车的位置和运行区域的安全。主要操作过程为：①将激光扫描仪初始化，识别矿车正常停车区域，然后记忆；② 罐笼装车时，启动车厢激光扫描仪对罐笼内环境进行杂物扫描分析，确认无杂物后，控制推拉机运行至待装小车位，推动小车入罐行走，当触及阻车器锁车装置时，阻车器锁车，待系统确认小车停车位置正确、锁车抓爪锁车到位后，控制推拉机反向归位停车待命，然后向提升控制系统发送提升运行信号，提升系统开始提升，罐笼装车流程结束；③罐笼卸车时，控制系统停车到位后，控制推拉机向罐笼方向移动行走，当触及阻车器解锁装置时，停止行走，机头自动闭合抓住小车，同时阻车器自动解锁，待系统确认阻车器解锁完毕后，控制推拉机反向行走至预定小车停车位，并张开机头放下小车，返回至预定停机位待命；④ 启动激光扫描仪对车厢内环境进行扫描检查，确认无杂物后，向提升控制系统发送提升运行信号，提升系统开始提升，罐笼卸车流程结束。自动抓爪装置如图 2 所示。

图2 自动抓爪装置示意Fig.2 Sketch of automatic gripper

2.1.3 罐笼定点充电装置

因运行需要，全自动副井提升机罐笼内安装有电控箱、照明灯具、检测传感器、激光扫描仪、摄像机、对讲机等多种监控通信设备，耗电量比较大。若采用更换电池的方式供电，因电池容量较大、本体较重，更换时费时费力，且电池更换过程影响提升机运行，既不科学，又不经济。基于提高调速质量和节能的目的[5]，研发了自适应滑接供受电装置，如图 3 所示，定点向罐笼内供电电源补充电能。罐笼行驶到充电点位后，充电滑触板和受电滑触板紧密接触，自动充电。充电控制系统设有防过充保护，当电能存储器充电达到总电量的 95% 时，自动断电。

图3 定点充电装置示意Fig.3 Sketch of charging device at fixed points

2.2 运行“电梯式”的实现

“电梯式”运行是指提升机可以像电梯一样，通过安全智能监控实现全自动运行，并实现了以下功能：

(1)提升机运行操作具备唯一性，实现了上位集中监控与驾驶台操作互切互锁功能；

(2)提升机操控系统、操车控制系统以及罐笼设备间通过通信实现了互联互通，具备了联动控制功能；

(3)为安全门、罐帘门、摇台操作以及罐笼选层设置了安全检测装置，具备了动作状态冗余检测功能，进一步提升运行安全；

(4)研发了安全检测机器人系统，具备现场安全检查确认和信号自动发送功能；

(5)搭建了视频监控、通信、语音播报、声光预警、应急呼叫处置等安全辅助功能；

(6)各水平井口操作箱设置了提升机手动闭锁开关，防止在运行过程中误启、误动。

以上述 6 项功能为基础，采用目标水平智能寻址，实现了提升罐笼自动寻找泊位。其主要原理是：①预先为井筒内各水平井口设定一个物理地址，按照罐笼提升钢丝绳行进长度与各水平井口标高的对应关系，设定各水平井口对应提升钢丝绳行进长度的软地址，建立系统目标地址核算的参变量；② 在井筒内各水平井口安装罐笼位置检测开关，检测罐笼到达与通过信号，为系统反馈罐笼当前物理位置地址，建立目标地址核算的核对参照点；③在提升机导向轮安装速度编码器，实时检测导向轮转速，为系统自动计算罐笼提升钢丝绳的行进长度，获取罐笼当前井口位置提供核算数据；④ 现场操作箱设有目标位置选择按键，用于键入提升目标水平井口物理地址。

提升罐笼自动寻址系统可确定罐笼与井筒各水平的相对位置，自动控制罐笼停靠到位，实现自动选层，如图 4 所示。该系统由副井提升罐笼自动寻址主机 XZ、井筒各水平井口现场选层键盘 DXn、罐笼位置传感器 DJn、滚筒转速检测编码器 B 及其信号采集通信装置组成。DXn键入目标地址数据，DJn检测滚筒转速并反馈罐笼当前位置地址数据，B 检测反馈罐笼当前位置软地址，各种检测数据通过光纤输入到 XZ内，XZ 计算、核对、查找确定目标地址，然后向副井提升机控制系统发送罐笼到位停机信号。

图4 自动寻停系统示意Fig.4 Sketch of automatic parking system

2.3 智能监控的实现方法

2.3.1 智能安全监测机器人系统

安全监测机器人将各种安全监测装置系统化，通过逻辑程序，赋予系统安全确认的职能，从而代替信号工。该系统包含以下功能模块。

(1)IC 卡人员自动识别装置 为现场启动按键加上识别锁，甄别操作人员的操作资质，通过设定操作权限，杜绝非资质人员的操作隐患。

(2)闭锁控制软件 利用激光扫描仪、无线通信设备和智能判断分析软件，组成区域环境自动扫描检测系统，在确认环境检测安全、设备状态正常后，闭锁控制软件自动发送提升信号，取消了信号工联系确认环节。

(3)红外光幕防闯入装置 井口候罐区域设置红外光幕装置，执行警示防控职责。利用光电检测传感器、闪烁光栅警示器和监控软件，组成提升安全区间警示门禁系统，为现场人员提供光幕警戒信号，为提升机控制系统提供播报警告和驱离音响信号，在提升运行过程中人员闯入可声光、语音报警。

(4)激光扫描检测装置 这是人员和矿车出入罐笼前安全监测的核心设备，可自动检测罐笼内外操作区域有无杂物、人员，是开闭罐帘门和安全门、升降摇台的安全前提条件。

(5)磁电传感装置 冗余设置，利用非接触式电磁检测传感器、光电传感器与分析软件，组成设备动作状态检测确认系统，自动检查确认摇台、安全门、罐帘门、阻车器状态，避免引发设备故障，同时将设备状态反馈给系统软件。

智能安全监测机器人系统的主要原理是：利用身份识别、激光扫描仪、电磁检测、警示光栅门禁、无线通信和 PLC 控制技术，自动防控非资质人员的误操作，智能监控提升运行区间和操车设备动作区域的安全，自动检查确认操车设备动作状态，使副井提升运行实现系统自动安全检查确认。

2.3.2 “N+1”监控模式

针对“一键式操作、电梯式运行”控制系统高度集中和自动化的特点，制定了“N+1”式提升运行监控模式，其中 N 代表信号工数量，1 代表 1 名提升机监控司机，N 取 3 或 0。

(1)3+1 模式 马城铁矿共 3 条副井，设置 3名信号工与 1 名监控司机，协同监控或操作 3 条副井提升机的运行。信号工在井口远程音、视频现场监管，手动操车和发送信号。监控司机在集控室巡视监控或操作 3 台副井提升机运行，处理应急事件。

(2)0+1 模式 信号工由安监机器人取代，只有 1 名监控司机，乘员或其他资质提升操作人员利用现场操作装置叫罐、启动提升系统。监控司机在集控室巡视监控 3 条副井提升机的运行，处理应急事件。

结合生产实际，综合 2 种模式的特点，在正常生产提升时，采用“0+1”模式；在提运大型设备或系统检修等特殊作业时，采用“3+1”模式。

3 应用效果

通过提升机“一键式操作、电梯式运行”智能运行模式，解决了制约副井提升机自动运行的多个关键问题，提升了副井提升机运行自动化程度，实现了减员增效，表 1 所列为传统模式与智能模式操控人员的对比情况。由表 1 可以看出，较传统模式，智能模式通过增加全自动运行功能，大幅度减少了操控人员，3 条副井可以节省司机、信号工 133 名，按照人均工资 8 万元/a 计算，每年节省费用 1 064 万元。

2019 年 12 月，马城铁矿 1 号副井提升机按照“一键式操作、电梯式运行”控制系统集成装配完毕，并进行了安装测试。通过模拟提升作业过程，系统不但具备“一键式操作、电梯式运行”效能特征，而且安全、稳定，完全达到了实用技术要求，每项应用技术的功效性能均达到了安全稳定、动作精准的目标要求。

4 结语

副井提升机“一键式操作、电梯式运行”模式，解决了传统副井提升机存在的提升效率低、人力资源占用多、成本高的现实问题，解脱了人力辅助拉卸罐载运矿车时的高强度劳动，规避了人力作业、人为误操作的安全风险，提高了副井提升机的运行效能。以“国内领先，国际先进”的智能地采矿山为建设目标，满足了降本增效竞争机制下的安全稳定、高效低耗设备的诉求，并使国家安监总局推进的“副井提升机机器人替代工程”得到了落实。

表1 2 种模式人员配置对比Tab.1 Comparison of two modes in staffing