基于以太網的煤礦軌道運輸監控系統的設計

張 偉

（大同市同煤集團晉華宮礦輔助運輸管理科， 山西 大同 037016）

引言

隨著我國對煤炭開采的整合與擴建，使得煤礦生產能力大幅提升，現代化生產與信息技術在煤炭生產中的應用越發重要[1-2]。利用計算機信息技術管理井下運輸的生產、調度是提升運輸能力、保證安全的重要手段[3]。井下巷道線路復雜、運輸距離長、對材料、人員、煤炭的運輸任務越來越重，傳統的運輸監測方式對于信號、機車、方位等信息監測量少，難以對其進行合理化調度運輸，極易引起車輛的堵塞，輕則影響生產效率，重則帶來安全事故。所以為提高生產運輸效率、保證生產安全、增加調度可靠性，研究設計一套適用廣泛的煤礦軌道運輸監控系統。

1 系統常見故障的分析

1）通過對目前常見軌道運輸監控系統的結構分析，在整個監控系統中軌道傳感器、信號燈、電機等設備屬于系統的底層設備，所占位置十分關鍵。而井下機車在運行中所處的環境惡劣，使得這些設備受到的干擾十分嚴重，故研究底層設備的穩定性、維護監測設備的運行狀態對于井下軌道運輸系統的可靠運行具有十分重要的意義。

2）目前井下機車與分站進行通信的方式大多采用射頻技術，而在井下受地質構造與開采巷道中物體的影響，不僅通信質量的可靠性差，還會影響通信距離的穩定性，從而在信息傳輸上帶來許多不確定的因素，極易造成機車運輸事故的發生。

3）井下監控與通信的分站承擔著對機車運輸的監測與信號分析等功能，當監控分站不穩定出現故障時，對軌道中的機車標號、位置、速度以及方向等數據信息便不能進行有效地分析與判斷，也不能對地面監控中心進行數據信息的實時傳輸，從而發生運輸事故。

2 系統方案的設計

2.1 系統總體結構

本系統將軌道運輸系統分為井上與井下兩部分構成，井上部分主要由運輸監控中心、計算機、服務器、顯示器、打印機等構成，井下設備主要由控制主站、監控分站以及各現場設備組成。井上部分設置井下機車的運行狀態監測顯示，井下部分用于對現場設備狀態監測與控制。

井下利用現場布置的傳感器等設備對機車位置、速度、運行狀態進行實時監測，通過監控分站完成對現場信號機狀態信息、傳感器信息等數據的采集，同時監控中心也會根據地面監控中心的調控命令對現場信號機與轉轍機的控制。井上監控中心與井下控制主站通過以太網相連接，采集井下監控分站中PLC 控制單元所收集的信息，同時將該信息存儲在數據服務器中，以便后續查詢。井下監控分站則根據地面運輸監控中心調度命令自動對運輸線路進行檢測，實現轉轍機的智能化控制，同時監測分站會對運輸線路出現的故障狀態實時監測。系統總體結構圖如下頁圖1 所示。

2.2 系統功能

煤礦軌道運輸監控系統主要是在保障井下煤炭的運輸安全的基礎上，通過合理化調度控制從而提高運輸效率。該系統通過利用井下監測設備的信息采集了解機車的運行狀態，根據收集的運行狀態控制中心對機車下達調度指令，而本系統相比于傳統監控系統，利用分布式監測站，發揮功能更強大的PLC 控制器，對機車運行控制進行優化，具體功能如下：

1）機車定位：利用該系統可以方便調度人員觀測到機車的實時位置與編組情況；

2）車輛運行監測：可任意實時監測各編組車輛的方向、車速、油溫等狀態，同時將機車的運行狀態記錄在檔；

3）自動調控：監測分站可以根據轄區內機車的位置、數目、速度等情況調控每一輛車，優化作業任務，避免堵塞巷道，提高運輸效率；

4）系統可以通過井上監測設備采集的數據，對其進行分析判斷，當設備發生故障時可以進行故障報警，同時記錄在服務器中。

圖1 系統總體結構圖

2.3 系統網絡確定

工業以太網在適用性、實時性、可靠性、本質安全性、抗干擾性等方面有極大的優勢。它是基于TCP/IP 的一種標準的開放式網絡，具有很強的互聯性與兼容性，同時它在保證高傳輸、遠距離的條件下便捷的訪問遠程系統，從而共享遠程數據庫，實現對企業控制網絡與辦公網絡的無縫連接，但是以太網實時性程度相對比較低。為彌補以太網這一缺陷，考慮到井上與井下距離又太遠，為此本系統利用光纖這種傳輸介質，通過工業以太網的通信網絡將井上監控中心與井下設備相互連接。井下之間的設備利用CAN 現場總線相互連接，井下設備便可以通過以太網-CAN 現場總線網關連接到以太網中，從而增加系統通信的靈活性與實時性。

3 硬件系統的設計

3.1 監控分站硬件組成

對井下現場機車及運輸的監控是由監控分站及現場監測設備組成。監控分站主要由PLC 控制器、存儲單元、本安電源、顯示器、報警器等組成。現場監測設備完成對機車速度、方向、位置等信號的采集，將這些信息與電信號、開關信號、調度信號輸入至監控分站，監控分站根據編譯的控制策略按優先級對轉轍機、信號機等設備做出信號指示，從而實現智能化監控，提高運輸效率。運輸監控系統的監控分站硬件組成如圖2 所示。

3.2 主控器選型

可編程邏輯控制器PLC 因可靠性高、性能穩定、控制能力強、使用方便、編譯靈活等特點被現代工控生產中廣泛應用，特別適用于惡劣的工礦環境中。目前，PLC 的種類型號很多，不同型號類別的PLC 其性能、存儲容量、指令系統等也不盡相同，所以選用合理的PLC 對提高系統性能節省生產成本具有重要意義。結合礦井技術條件與生產情況，衡量穩定性與抗干擾等指標后，本系統采用西門子S7-200PLC。該型號PLC 運算速度快，可靠性高，是一種整體式結構，保證它既可以單機運行也可以增加擴展模塊。本系統設置每個監控分站控制5 個轉轍機，每個轉轍機4 個I/O 通信接口，輸出電壓為DC24 V，滿足傳感器需求。

圖2 監控分站硬件組成

4 軟件程序的設計

井下監控分站主要對運輸信息進行采集、通訊和控制，并與現場監測傳感器等設備進行連接。一方面不斷對自己轄區內的機車信息、信號機信號、轉轍機信號、收信機車信號等進行實時監測，并通過優先級控制策略對轉轍機與信號機等設備完成井下運輸的調控；另一方面將監測的信息上傳井上監控中心并接受所下發的調控命令。監控分站所進行的程序設計流程如圖3 所示。

圖3 監控分站主程序流程圖

5 結論

通過分析井下常見運輸故障及原因并根據煤礦的軌道運輸監控的需求而設計的一套基于以太網的煤礦軌道運輸監控系統，分為井上監控中心、井下監控分站及現場監測設備等組成，井上與井下通過可靠性較高的工業以太網相連接。在井下通過現場監測設備對機車速度、方向、位置等信息的采集，傳輸給監控分站與地面監控中心實現最優化機車運輸調控策略，從而完成對軌道運輸狀態的監控。該系統以PLC 控制為核心完成運輸監控，提升了煤礦軌道運輸效率，具有很大的應用前景。