131 1300 0010
0 引言
隨著采礦深度的增加，地下開采的環境質量越來越差，對人的健康及生命安全造成了嚴重的威脅，再加上嚴格的環保，安全法規的相繼出臺，造成了地下礦產開采成本的提高，為滿足社會需求，必須要提高開采效率，因此催發了自動化技術的應運而生，而遙控系統的開發和應用勢必成為必不可少的一部分。
特別在近幾年隨著無線網絡應用于工業的技術的成熟，可以將WiFi無線網絡配合無線電遙控操作技術應用于地下鏟運機以實現遠距離無線操作，也可以在遙控模式下，駕駛員在遠離鏟運機的安全區域，通過無線遙控手柄單元控制鏟運機的各種動作。在生產效率上有了很大的提高，也在很大程度上保障了人的健康及生命安全。
1 地下裝載機的遙控部分
1．1 手柄控制單元
1．1．1 手柄控制單元
該單元包括一個帶ARM內核微處理器的核心板，一個2．4 GHz無線通信模塊，兩個控制手柄，2．4 GHz天線，底層信號采集板等。該單元要控制裝載機的前進／后退、換向、左轉、右轉、大臂舉升、大臂下降、裝料、卸料、油門增減。同時還要增加以下輔助功能，包括遠程啟動，熄火、駐車剎車、輔助剎車、前后燈的控制。采用無線遙控時，人員遠離鏟運機在安全區域作業時，可以借助操作盒，如圖1所示，實現安全作業。
1．1．2 內部信號采集處理及傳輸
本系統中有4路速變模擬信號、8路緩變模擬信號。該采集系統能實現采集0～5 V之間的模擬信號，兩者精度均在0．1％以內，信號記錄時間均不低于0．75 s，整體設計如圖2所示。在本系統中，由于模擬輸入信號的電壓范圍是0～5 V，所以此次設計使用LM324運算放大器組成的比例電路將輸入信號變換成0～2．5 V電壓。然后輸入模擬開關經過跟隨器后，再輸入A／D轉換器。這里采用AD7492轉換芯片，進行數據采樣。AD7492是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式A／D轉換器。它可在2．7～5．25 V的電壓下工作，其數據通過率高達1 MSPS。可以滿足采樣標準要求。
首先，對于4路速變信號而言，其最低采樣頻率為40 kHz，系統要求的最低記錄時間為0．75 s。采用了多路切換開關和一個AD7492循環進行數據采集，將4路速變信號和8路緩變信號交叉安排在ADG506上，這樣在每次速變信號采集后，緊接著采集8路緩變信號，經過循環交叉采集后，使得速變信號采樣率是緩變信號采樣率的2倍。然后將12路信號經模／數轉換后經ARM處理器處理后再經TLV5613數／模轉換，通過編碼器編碼傳送到無線發射模塊，經過2．4 GHz無線天線將信號發射出去。采用的TLV5613轉換器是12位電壓輸出數膜轉換器（DAC），它具有一個與8位微控制器兼容的并行接口。使用三個不同的地址來寫入8個最低位、4個最高位和3個控制位。TLV5613可工作于2．7～5．5 V較寬的電源電壓范圍。
1．2 車載接收／發送單元
1．2．1 車載接收單元
無線信號通過天線被信號收發模塊接收，然后經過DSP（C6000）處理，在經過TTL電平轉換，將信號輸送到各個控制開關，來控制各個動作。從而實現在安全區域內無線遙控駕駛。如圖3所示。
該接收單元不僅能夠接收來自地面的遠程控制無線信號，也能接收近距離的無線控制信號。該收發模塊在向網絡中發送數據包之前先檢查網絡的狀態。當它檢測到智能接入點沒有控制信號發出時，就發送數據包，傳送到地面控制顯示平臺，從而獲得實時狀態信號；如果檢測到此無線電頻率上有其他數據，該模塊只是接收信號對鏟運機進行控制。通過車載單元上的遙控／手控開關也可以實現遙控跟手動的切換。
1．2．2 車載發送單元
鏟運機前后都裝有攝像頭，用于采集實時視頻，采用專用高速數字信號處理板進行。如圖3所示。引擎控制：高電平保持引擎運動，輸出低電平使引擎熄滅；緊急剎車：高電平釋放緊急剎車；輔助剎車：高電平釋放輔助剎車；快／慢檔位控制：電平切換到快速檔位，低電平在慢速檔位；前進控制：高電平轉換到前進擋位；后退控制：高電平轉換到后退檔位；舉升控制：高電平轉釋放舉升；放下控制：高電平轉釋放放下；鏟斗上翻：高電平釋放上翻；鏟斗下翻：高電平釋放下翻；左行控制：高電平轉換到左行檔；右行控制：高電平轉換到右行檔位。
所有的電平信號被采集傳到高速A／D轉換器，轉化為數字量。采用DSP（C6000系列）將轉換后的電平信號及視頻信號進行采集并且壓縮，通過無線網絡進行發送。數據會通過交換機通過以太網絡傳輸到地面控制臺，綜合顯示裝載機運行的各個動作，從而容易實現遠距離無線操作。其顯示界面包括狀態顯示界面、顯示控制界面、視頻顯示界面，如圖4所示。
2 鏟運機液壓改造線路
在原來液壓線路的基礎上，建立一套與原來手動操作并行的液壓回路，兩套回路前面有一個換向閥來進行手動控制與遙控控制的切換。在遙控時，采用三個比例式電磁閥來控制進入先導閥液壓油的方向，從而達到控制鏟運機鏟斗翻斗、動臂升降、轉向的要求。如圖5所示。
在制動回路中，采用NICO電液動制動閥與原來的腳踏制動閥相并聯，通過控制面板改變扭轉開關量來輸入不同的電壓值控制閥口的開閉大小，從而實現輔助制動。緊急制動電磁閥可以直接通過控制單元控制。
3 地下無線網絡
迄今為止，我國礦井多數采用有線通信方式，國外礦井通信方式主要有泄漏、感應、透地、CDMA和WiFi通信等。本文采用WiFi通信進行工作。
3．1 采用“智能接入點+交換機”的礦井移動通信系統
該系統由智能接入點（Intelligent Access Point，IAP）、交換機和電纜等組成，如圖6所示。
智能接入點是礦山綜合無線局域網絡中無線、有線網絡之間的橋接，由一個無線輸出口和一個有線的網絡接口（802．3接口）構成。如同網絡中的一個無線基站，將網絡終端的所有設備信息聚合到有線的網絡上。網絡交換機在網絡中除了作為分路器功能之外，主要用于數據包的快速轉發，它為數據幀從一個端口到另一個任意端口轉發提供了低延時、低開銷的通路。
智能接入點每隔一定距離2R（無線傳輸的距離）和巷道急轉彎處設置，如圖7所示。
智能接入點跟交換機采用無線通信，在小區各個裝載機可以實現無線直通，或者經過智能接入點進行通信。如果要實現A，B兩臺器械的遠距離無線通信，A可以通過所在區域的智能接入點發出的無線信號經過交換機，再通過光纜傳輸后到達B所在區域的智能接入點，然后將信息傳輸給器械B，從而實現遠距的通信。也可以直接發送信號到地面控制臺，通過地面控制系統來向B發送信號，同樣B也可以通過控制臺向A發送實時信息。在這個通信系統中，任意一個只能接入點發生故障，只是會影響局部通信，但是不會影星總體網絡的通信。所以，在一定程度上，該系統的抗故障能力強，同時，通信通過交換機控制，沒有通信的智能接入點的無線信道未被占用，可供其他用戶使用，線路的利用率高。
該無線網絡架構中主要包括802．11 b／g無線接入點、網絡交換機和通信電纜，工作頻率為2．4 GHz，帶寬達到54 Mb／s，完全可以實現視頻實時傳輸，便于遠程操作人員進行遠距離遙控操作。根據現場實際情況，可以采用基于802．11n，802．11a的MESH接入點或者其他無線網絡。
3．2 “點對點”通信
車載接收發送單元采用點對點，Ad Hoe技術與智能基站進行數據通信，再通過智能基站與整個網絡建立網絡鏈接，可以實現局域網內無線電通信。因為沒有中心，所有的節點地位都是平等的，組成一個對等式網絡，其中的節點可以隨時加入和離開網絡，任意節點的故障不會影響整個網絡的運行。即使在有線部分損壞的情況下，也可以在地下建立局域通信網絡，這樣方便了地下的通信交流，也在一定程度上保證了工作人員的生命安全。
4 結語
通過對計算機技術、無線網絡與無線遙控技術的綜合應用，使得地下遠距離遙控操作成為了可能，在很大程度上降低了勞動成本，提高了生產效率，同時也保障了工作人員的生命安全。伴隨著計算機硬件技術及無線電技術的不斷更新，網絡帶寬的不斷增加，地下采礦技術會變得更智能化，各種軟硬件系統更為標準化。
