礦井電機車安全防護系統設計

李軍鴻

(平頂山天安煤業股份有限公司 八礦， 河南 平頂山　467000)

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礦井電機車安全防護系統設計

李軍鴻

(平頂山天安煤業股份有限公司 八礦， 河南 平頂山467000)

針對現有煤礦井下電機車安全控制不能有效防止闖紅燈、追尾和相撞的問題，設計了一種礦井電機車安全防護系統。該系統采用射頻無線通信技術，利用信集閉信號控制電機車安全運行，實現了闖紅燈報警、車輛距離提示和超速行駛控制等功能。實際應用表明，該系統提高了電機車運輸的安全性，大幅降低了運輸事故發生率。

礦井電機車； 安全防護； 無線通信; 信集閉系統; 闖紅燈報警； 車距控制； 超速控制

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1034.018.html

0　引言

平頂山天安煤業股份有限公司八礦(以下簡稱平煤股份八礦)大巷全長近20 km，現運行36臺CDXT2-12J型蓄電池電機車，245臺底卸式5 t礦車，880臺2 t礦車，45臺人車，220臺其他材料設備車，井下合計運行1 426臺各種用途車輛。井下大巷原煤、矸石、材料、設備、人員運輸任務繁重，電機車運輸頻次高，管理難度大，安全事故時有出現。雖然大巷運輸采用了礦井電機車運輸監控系統，但電機車司機操作失誤或誤闖紅燈發生相撞和追尾事故，車輛超速造成掉道事故，調車、倒車誤撞事故，車輛與巷道管線刮蹭事故等時有發生。為防止這些事故的發生，礦井電機車設計有防撞功能，通過車架前后端裝有的彈性緩沖器，在碰撞時緩沖和吸收碰撞能量，以減輕撞擊時對電機車的危害。但緩沖器能夠吸收的能量有限，無法起到較好的防撞緩沖效果[1]。另外，電機車還安裝有車載瓦斯斷電儀和過電流保護等簡單的安全防護裝置，但這些保護裝置不能滿足井下安全運輸的需要。目前地面機動車輛所采用的防撞預警或剎車裝置工作原理：紅外線、超聲波、激光、無線電等發生器發出的信號被反射回來，接收器對接收到的信號進行判斷處理，然后報警或剎車。由于煤礦井下環境惡劣，巷道狹窄昏暗，岔道及彎道較多，車輛與巷幫間距較小，在電機車運行到大巷彎道等處時，車身上安裝的傳感器發出的電磁波經常被巷道、巷道內的管線及煤塵等阻擋反射造成誤報警、誤動作，不能可靠工作[2]。為此，平煤股份八礦結合現有電機車運輸信集閉系統、人員定位系統和礦井1 000 MB工業以太網系統，與有關廠家合作，設計了礦井電機車安全防護系統，提高了礦井電機車運輸的安全可靠性。該礦井電機車安全防護系統綜合采用射頻、超聲波、霍爾等多種技術手段檢測電機車及周邊數據，實現了電機車安全預警及防護功能。

1　系統總體設計方案

平煤股份八礦現已運行井上、井下工業以太環網、電機車信集閉系統、人員定位系統等，應盡可能利用原有系統，在原有系統架構上設計完善電機車安全防護設施[3]。礦井電機車安全防護系統擴展了原有的人員定位系統，將單一人員定位升級為礦車及人員定位，通過定位分站采集電機車自身運行工況和環境數據，并通過信集閉系統和工業以太網傳輸整合數據，系統網絡結構如圖1所示。

每臺電機車安裝有電機車控制器、觸摸屏顯示器，用于監測電機車運行數據和位置，控制電機車制動和開停。每臺電機車還安裝了多波段射頻接收和發射裝置，接收大巷信集閉系統的紅綠燈信號和周邊人員車輛位置信號。每臺礦車安裝有礦車定位卡，讀卡分站采用原有人員定位分站，負責采集井下人員及礦車位置等數據，讀卡分站讀取數據后，通過井下交換機將數據傳輸至井下工業以太網。同時，利用網絡攝像儀采集大巷乘車點、放煤站、關鍵巷道交叉口等視頻信息，并將信息傳輸至工業以太網。中心機房服務器將接收的電機車運行信息進行分類整理，并根據報警條件產生報警信息，形成統計報表，為運輸調度提供依據。

圖1　礦井電機車安全防護系統網絡結構

2　系統功能與實現

礦井電機車安全防護系統可以實現電機車運輸過程中闖紅燈報警、防追尾、防相撞、防超速行駛、防倒車誤撞等功能。借助綜合自動化、信息化網絡平臺，結合工業以太網、射頻通信技術、數據庫技術，系統還可及時、準確顯示井下各個采區電機車和礦車的動態情況，掌握井下電機車、礦車的分布狀況和每臺車輛的運動軌跡。

(1) 闖紅燈報警功能。 當電機車運行至紅綠燈位置，遇到紅燈閉鎖時，若司機不停車則報警裝置動作，可發出報警信息，當電機車司機強行闖紅燈時，電機車強制斷電停車。電機車闖紅燈報警裝置采用加裝射頻電路的紅綠燈傳感器，通過遠程通信模塊與電機車控制器通信聯系。信集閉系統設定好路線后，電機車按照紅綠燈的指示路線行駛，監控畫面上顯示電機車行駛的速度和位置。信集閉系統分站采用循環掃描的方式采集電機車動態信息，電機車運行至大巷紅綠燈位置時，電機車控制器接收模塊通過紅綠燈傳感器采集紅綠燈信號[4]。如果得到允許電機車通過的綠燈信號，電機車控制器輸出低電平信號，電機車可以繼續運行；如果得到禁止電機車通過的紅燈信號，電機車控制器輸出高電平信號，發出指令控制電機車報警和停車。

(2) 防追尾、防相撞功能。在2輛電機車同向或逆向行駛靠近時，電機車顯示屏顯示電機車車號、2輛車的車距等信息，根據車距、車輛行駛方向等采用不同控制策略，在接近危險車距時自動控制電機車制動剎車。電機車控制器通過射頻模塊發射低頻無線電波[5]，檢測周圍是否存在其他電機車或礦車，若存在其他車輛，接收其他車輛射頻定位卡發出攜帶車輛ID的低頻無線電波，經電機車控制器處理，提取其他電機車的編號信息并在電機車顯示屏上顯示電機車編號及車距。電機車控制器可以根據接收到的信號判斷車距后發出報警信號，從而為電機車的安全運行提供保障。當同一軌道的2輛電機車靠近時，射頻模塊在發射信號的同時接收到一組信號數據，這組數據經濾波、隔離、整形、放大，判斷報警條件是否成立，若成立則發出報警信號，同時降低電機車的運行速度，有效防止同一軌道的電機車發生追尾事故。行駛在相同巷道2條軌道上的電機車防追尾信號通信頻率不一樣時，不報警。

(3) 防超速行駛功能。速度超過設定值時，電機車控制器輸出信號并報警，控制電機車調速器降低車速。速度檢測方法是在電機車車軸上安裝霍爾傳感器，將電機車車軸的轉動速度轉換為頻率信號，電機車控制器對頻率信號進行采樣計算并得到電機車的實際運行速度。同時，設定2組車速報警值，根據預設報警值比較判斷是否進行報警及車輛制動。當電機車運行速度超過設定高速報警值時，電機車控制器發出報警信號，實現聲光報警，并控制電機車調速器降低車速。當車速超過危險車速時，電機車控制器可輸出一組控制觸點，以控制剎車系統，通過氣剎制動閥拉臂的動作，使制動閥上、下兩腔進風口分別與制動壓風相通，儲氣筒前、后腔空氣分別通過制動閥進入后、前制動氣缸，制動器進入工作狀態，實現電機車氣剎控制，控制電機車在危險距離實施剎車，防止電機車超速行駛造成脫軌事故。

(4) 防倒車誤撞功能。利用超聲波測距原理測量電機車與障礙物的距離，超聲波發射器向特定方向發射超聲波，當超聲波遇到障礙物就反射回來，超聲波接收器負責接收反射信號。由于超聲波在空氣中的傳播速度是固定的，所以通過測量發射和接收超聲波的時間差就可以測量電機車與障礙物的實際距離[6]。電機車防倒車誤撞裝置由收發一體式超聲波探頭、電機車控制器、顯示器等組成，超聲波探頭安裝在電機車兩端。當電機車開始進入倒車時，防倒車誤撞裝置自動觸發，相關電路開始工作，超聲波探頭在上下左右各方向搜尋障礙物，發射模塊發送40 kHz的超聲波，接收模塊檢測處理返回的超聲波信號，通過間隔時間計算出電機車車體與障礙物之間的實際距離，并在顯示器上顯示計算結果。當電機車車體與障礙物間距接近一定距離時,報警器觸發，提醒司機注意安全，超過危險距離時，禁止電機車啟動。

3　結語

礦井電機車安全防護系統對電機車司機常見的違章行為和常見的事故類型采取了相應的防范措施，在電機車運行中減少了人為闖紅燈、超速行駛等事故的發生，能有效提醒司機注意電機車間距過近、倒車等危險因素。該系統完善了原有電機車信集閉系統，可通過無線通信實現對電機車運行數據的采集與管理，還可以實現礦車的定位和調度管理功能。礦井電機車安全防護系統已在平煤股份八礦二水平大巷投入試用，明顯減少了電機車超速行駛、闖紅燈等行為，降低了電機車事故發生率。

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[3]譚得健.我國煤礦自動化現狀及發展趨勢[J].工礦自動化,2010,36(9):126-129.

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[5]安裕強,王庭有,楊斌.基于射頻識別和PLC的地下金屬礦山有軌機車監控系統[J].有色金屬(礦山部分),2011,63(5):67-70.

[6]于海存,王官.基于超聲測距的智能車輛防追尾安全測控儀[J].儀表技術與傳感器，2013(6):37-39.

Design of safety protection system of mine electric locomotive

LI Junhong

(No.8 Coal Mine, Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.,Ltd., Pingdingshan 467000 ,China)

In view of problems that existing coal mine electric locomotive safety control cannot effectively prevent red light running, rear-end collision and collision, a kind of safety protection system of mine electric locomotive was designed. The system adopts radio frequency wireless communication technology and uses signals of signal, integrated and blocked system to control safe operation of the electric locomotive, which realizes functions of red light alarm, vehicle distance presentation and over-speed control. The practical application shows that the system improves security of electric locomotive transportation, and greatly reduces rate of transportation accidents.

mine electric locomotive; safety protection; wireless communication; signal, integrated and blocked system; red light alarm; vehicle distance control; over-speed control

1671-251X(2016)06-0077-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.019

2015-12-15；

2016-03-10；責任編輯：張強。

李軍鴻(1968-)，男，河南魯山人，高級工程師，現主要從事煤礦機電技術管理工作，E-mail：zhhr1968@163.com。

TD64

B網絡出版時間：2016-06-01 10:34

李軍鴻.礦井電機車安全防護系統設計[J].工礦自動化，2016,42(6)：77-79.