錫鐵山鉛鋅礦斜坡道交通信號控制系統的優化設計與應用

申朝波， 史海明， 李德彬， 楊俊青

(金誠信礦業管理股份有限公司錫鐵山項目部， 青海 錫鐵山 816203)

1 前言

錫鐵山鉛鋅礦主斜坡道原交通信號系統于2009年由西北冶金研究院電氣自動化研究所設計并安裝，至今運行已有8年，其工作原理與國內的礦山斜坡道的信號控制原理基本上相同，是通過安裝在斜坡道內的讀卡器識別下井車輛上安裝的定位卡，并控制斜坡道內安裝的信號燈，自動調度機動車輛運行，實現合理避讓，達到安全高效的運輸目的[1-4]。

原斜坡道信號系統主要由上位機、讀卡器、定位標簽、信號燈、信號線纜、信號光纜、中繼器和光電轉換模塊等組成；每一臺下井工作的機動車輛上都裝有一個定位標簽，其主要作用是定位車輛的具體位置，每一個錯車場裝有兩臺讀卡器和兩個信號燈，分別安裝于錯車場的上下口，共有22個錯車場安裝了讀卡器和信號燈。讀卡器的主要作用是讀取每一臺機動車上定位標簽的數據，然后通過信號線纜、中繼器、光電轉換模塊把讀卡器接收到的數據傳送至上位機，通過上位機后臺的程序運算后區分每一臺機動車的運行狀態，從而來改變信號燈的狀態，實現斜坡道內的車輛有序、安全和高效運行。

2 原系統設計原理

原斜坡道信號系統組成電氣元件：車輛定位模塊、讀卡器、ADAM- 4571模塊、EKI- 2526S模塊、ADAM- 4510S模塊、EKI- 2541S模塊、12V直流電源、通訊光纜、信號線纜、信號燈、中繼器和上位機，具體接線方式如圖1所示。

圖1 原系統接線方式圖

系統運行原理：無源定位模塊安裝在機動車輛上，每個車場安裝兩個讀卡器，當車場內的讀卡器檢測到有車輛上安裝的定位模塊時，讀卡器通過光電轉換模塊和光纜傳輸至上位機，經過上位機的軟件處理，辨別出車輛的運行狀態來置位或復位信號燈。

3 原系統存在問題

2016年1月，公司接手管理該礦山后發現斜坡道信號系統使用過程中一直存在信號燈變化比較緩慢，經現場測試發現讀卡器的讀卡速度太慢，車輛的速度只要稍微加快，系統畫面就會出現丟車或信號燈變化紊亂等現象，嚴重影響斜坡道車輛正常運行。針對上述問題，我公司相關技術人員對信號系統的原理進行調查、研究和分析后發現個別車輛上安裝的定位標簽損壞、讀卡器接收信號距離近、讀卡器損壞等問題，部分已損壞的定位標簽和讀卡器必須進行更換，才能正常使用。

通過多次與廠家聯系溝通，進行詢價發現該信號系統的備件非常昂貴，例如一個讀卡器5 800元/個，一個4 571模塊8 600元/個；系統內所用備件在市面上沒有賣家，必須要到廠家訂做而且周期比較長(約2個月)。原系統安裝了59臺讀卡器及其他電氣模塊，考慮到其使用的年限久，大部分電氣元件已經到了更換周期，要徹底修復該信號系統并保持穩定運轉，需更換較多備件，一次性投入的費用較高，而且正常期的維護成本也會較高，影響的時間比較長。考慮到上述種種問題，繼續使用原斜坡道信號系統，修復和維護等工作開展困難重重，成本大、周期長，運輸降效，嚴重制約著井下生產的正常運轉。

為盡快恢復斜坡道交通信號系統，提高效率、降低成本，經過相關人員研究討論決定對斜坡道信號系統進行改造，增加一套自主研發的信號運行控制系統。具體改造方法是采用西門子S7- 200PLC、歐姆龍對射型光電開關、中間繼電器和7×1.0mm2控制電纜構建一套新的信號控制系統，通過編寫PLC程序，進行計數累加運算，區別車輛的運行方向和進入車場的時間先后關系，分別控制各光電開關，繼而控制信號燈的啟停，達到控制斜坡道交通的作用。其中光電開關主要是檢測區分車輛或是人員和還有計數作用，控制電纜主要是信號傳輸作用。

4 系統改造設計原理

1)PLC 安裝位置設計

由于斜坡道的任意兩個車場之間的間隔距離都相對較遠，且間隔距離不相同(180～300m不等)，電纜相對較長、電壓降大，設計中考慮把PLC控制箱安裝于兩個車場中間位置，用一個PLC控制兩個車場的信號燈，這樣可以保證電壓降在允許范圍之內，每一個控制箱控制兩個上行信號燈和兩個下行信號燈

2)光電開關設計

繼續利用原斜坡道信號系統的信號燈，在每個錯車場的信號燈下面各安裝兩對光電開關，為防止有人員通過時導致信號燈錯誤動作，要求兩對光電開關的安裝間距約2m，并且要串聯運行；硬件安裝完畢后，把光電開關和信號燈的信號線接至西門子PLC端上即可，具體接線原理圖如圖2所示，設備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 新系統設備安裝示意圖

當有機動車下行運行同時經過并遮擋住車場口安裝的兩個光電開關時，光電開關會閉合一次，PLC將接收到一個脈沖信號，其內部的計數累加器指令會累加一次，同時會把上下兩個車場的信號燈置位紅燈，不讓其他機動車進入主巷道內；當機動車運行至下一個車場口時，同時遮擋住車場口安裝的兩個光電開關，這時PLC會再接收到一個脈沖信號，其內部的計數累加器會減去一個脈沖，當其內部的計數累加器變為零，同時會把上下兩個車場的信號燈同時復位綠燈，也就是機動車下行時不允許跟車一起下，機動車之間的距離必須相隔一個車場的距離，防止在車場內堵車；當有機動車上行運行同時經過并遮擋住車場口安裝的兩個光電開關時，光電開關會閉合一次，PLC會接收到一個脈沖信號，其內部的計數器指令會累加一次，同時會把上個車場的信號燈置位紅燈，如果連續有N個機動車上行時那么計數累加器會累加N次，當機動上行至上車場口時，同時遮擋住車場口安裝的兩個光電開關，這時PLC會再接收到一個脈沖信號，其內部的計數器會減去一個脈沖，當其內部的計數器減為零時，會把上個車場的信號燈復位綠燈，也就是如果機動車上行時允許N臺機動車在保證安全的情況下可以一起上行，這樣即可以保障斜坡道內行車安全，還可以提高運輸效率。

5 系統改造后的優點和效果分析

PLC斜坡道交通信號控制系統開拓創新，從實用、高效和低成本的思路出發，改變原有的信號控制系統的控制模式，其優點和效果體現在以下4個方面：

(1)效率提高：改造后的斜坡道交通信號燈的反應速度經實地測試相比原系統快了很多，沒有在出現卡燈現象，提高了斜坡道卡車運礦效率。

(2)系統穩定可靠：改造后的斜坡道信號控制系統每個車場的信號燈都是獨立控制，車場與車場的信號燈互不干擾；原信號系統的信號燈是一個整體，一旦有一個信號燈出現問題，整個信號系統都陷入癱瘓狀態，無法正常運行，改造后的系統相比原系統運行要更加穩定。

(3)故障處理便捷：改造后的斜坡道信號系統車場的信號燈都是相互獨立的，如果哪個車場的信號燈沒有變化，就直接維修該車場內的信號燈或是光電開關就可以了；原信號系統是一個整體，一旦信號系統故障癱瘓以后，必須要一個一個車場的去排查，維修效率比較低，對斜坡道運輸的影響大。

(4)成本低廉：改造后的斜坡道信號系統所用的電氣元件價格相對便宜，屬于市面上比較常規的器件，便于采購，并且電氣元件可替代性比較強；原信號系統的電氣元件價格昂貴，必須要去廠家定制，所有電氣元件都不能更替，安裝和維修的費用高。經改造后的主要電氣元件價格見表1。

表1 斜坡道信號改造費用預算

6 結論

斜坡道交通信號控制系統改造后經過一年多的運行來看，總體效果良好，有效解決了原系統故障癱瘓導致斜坡道交通運輸管理混亂、生產降效的問題。相比原系統來說，新系統運行效率提高，系統穩定可靠，故障處理迅速，維修和維護成本降低，該創新技術為礦山斜坡道交通運輸信號系統提供借鑒的實例。

盡管在運行中發現了該系統還有一些需要不斷優化和改進的地方，例如兩車上、下同時進入同一段區域后，該系統無法做出指示，司機無法及時發現，導致斜坡道出現兩車無法避讓的現象等，這也是礦山科技工作者下一步需要繼續改進的地方和方向，努力做到更好。