井下有軌運輸機車自動化控制系統設計應用*

王建明

(山西省煤炭工業廳綜合測試中心，山西 太原 030000)

0 引 言

有軌運輸機車是各類礦山井下的重要運輸設備，具有不可替代的作用。目前，多數礦山井下有軌運輸電機車控制仍然采用人工手動控制的方式，工作人員必須時刻現場進行監督操控，同時需要一定數量的工作人員相互配合才能完成裝卸過程。這種控制方式存在很多問題：井下工作人員密度大，工作環境復雜、勞動強度大，工作時間需要倒班、危險性高，容易引發安全事故，影響了礦井的生產效率和產量[1]。針對運輸機車存在的上述問題，筆者設計了一套基于PLC控制器的自動化控制系統，集傳感檢測技術、無線通信技術、RFID射頻識別技術、變頻調速技術、視頻監控技術、上位機監控技術于一體，實現了對運輸機車全方位、全生命周期的動態監控、監管，提高了機車的運輸效率和自動化水平，具有非常重要的現實意義。

1 礦井運輸機車自動化控制系統總體架構

設計的礦井運輸機車自動化控制系統總體架構如圖1所示。整個控制系統由遠程監控中心、工業光纖環網+WIFI無線網絡通信系統、電機車車載監控系統、視頻監控系統、溜井遠程裝礦系統、主溜井自動卸礦系統、帶有射頻卡的機車軌道等組成。

圖1 礦井有軌運輸電機車自動化控制系統總體架構

其中，遠程監控中心由高級別的工控機及兩臺服務器組成，負責對運輸機車的運行狀態和井下環境進行全方位在線監測，同時根據反饋結果發布控制和調度指令；通信系統由工業光纖環網、多臺網絡交換機、WIFI無線基站及WIFI信號接收設備組成，實現井下設備的雙向無線通信；電機車車載監控系統由礦用機車、PLC主控制器、WIFI無線收發設備、傳感器檢測單元、制動系統、變頻調速系統、RFID讀卡器等組成，可對電機車進行狀態監測，并將監測信息上傳給監控中心，同時根據監測結果可對機車實現變頻調速控制；機車軌道隔一定距離布設射頻卡，與RFID讀卡器對接；視頻監控系統、溜井遠程裝礦系統、主溜井自動卸礦系統采用成套設備直接接入所設計系統中[2]。通過以上設計，運輸機車控制系統可根據視頻監控信息、傳感器檢測信息、RFID識別信息獲得自身位置信息、速度信息及運行狀態，并自動調控自身運行方式、運行位置，實現運輸機車的自動化裝卸礦。

2 控制系統硬件方案設計與設備選型

2.1 PLC主控制器選型

電機車車載監控系統采用PLC作為車載主控制器。PLC作為專業的計算機控制設備，因其抗震能力強、可靠性高、電磁兼容性強，被廣泛應用于工業和煤礦領域[3]。本文采用的PLC控制器具體型號為三菱FX1N，作為核心設備，PLC的功能分為以下三點：①負責采集運輸電機車的狀態信息，包括電機車的速度、位置信息，電機車的制動狀態，變頻器的電壓電流、頻率信息，通訊設備的工作狀態等；②負責實現電機車的啟停、變頻調速等；③實現故障預警功能。

2.2 傳感器檢測單元設計

傳感器檢測單元由多個不同功能的傳感器組成，包括紅外線傳感器、雷達成像傳感器、聲音傳感器、輪軸脈沖轉速傳感器等，負責對機車的速度、位置進行精準監測。

2.3 變頻器調速單元設計

系統變頻器采用ABB公司的ACS880系列的ACS880-01-293A-3產品，配合交流異步電機，對電機車進行調速控制，包括實現電機車的啟停、加減速、前進與后退，同時配合制動系統實現平穩剎車。變頻器采用全數字矢量控制方式，并通過空間電壓矢量脈寬調制技術(SVPWM)實現。

2.4 無線通信系統設計

無線通信系統以工業光纖環網為主干網絡，視頻監控系統、溜井遠程裝礦系統、主溜井自動卸礦系統通過交換機接入光纖環網。為實現無線WiFi信號在礦井下的覆蓋，在巷道頂安裝了WIFI基站，同時在電機車車頭上方安裝WIFI收發設備，實現了信息的雙向互通。

2.5 視頻監控系統設計

視頻監控系統采用網絡紅外攝像機，在電機車車頭前方、裝礦區域、卸礦區域、電機車受電弓、牽引變電所等地點皆設置視頻監控，實現井下全方位無工作死角的視頻監控和信息聯動，同時，監控視頻將進行存儲，便于后期進行回看[1]。

2.6 RFID射頻識別系統設計

RFID射頻識別系統由RFID識別器和RFID定位標簽組成。其中，RFID識別器安裝在電機車上，置于防爆箱內部，天線則引出置于機車固定位置，RFID定位標簽安裝在軌道上，為確保區間定位的可靠性，RFID標簽每個位置使用兩套標簽。由于識別器需要對來自射頻卡的載波信號進行解調，所以要求讀卡器的內部封裝有接收調制器，從而選用射頻芯片S6700。射頻卡選用疏耦合的無源射頻卡，它與讀卡器之間的通信協議采用ISO15693標準。

3 系統軟件方案設計

3.1 下位機程序設計

采用了三菱PLC主控制器，故使用GX Developer編程軟件進行下位機程序編寫，采用梯形圖的編程語言。下位機程序由主程序及多個子程序構成，當執行某個功能時，由主程序實行調用。子程序包括傳感器檢測程序、變頻調速程序、無線通信傳輸程序、聲光報警程序、電機車制動程序、RFID射頻識別程序等。如圖2所示為系統進行機車運行位置定位的RFID射頻識別程序框圖。

圖2 RFID射頻識別程序框圖

3.2 上位機監控平臺設計

采用組態王kingview6.53軟件開發了運輸機車自動化控制系統的上位機監控平臺，該組態軟件適應性強、開放性好、易于擴展、開發周期短。上位機監控平臺分為三大模塊：用戶信息設置模塊、數據顯示與存儲模塊、運輸調度指揮模塊。具體模塊功能分布結構圖如圖3所示。

圖3 上位機監控平臺功能分布結構圖

通過上位機監控平臺，將系統劃分為管理層、監控層、控制層三個層次結構，其中監控層是核心層，不僅實現了對現場電機車的實時狀態監測與調度控制，而且在自動化控制系統中完成信息上傳下達的作用。該平臺提供了可視化監控畫面，并與視頻監控系統實現對接，實時顯示井下的工作場景；電機車的運行位置、倉位高度也將以動畫方式實現顯示；同時平臺具有報警功能、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數據存儲等功能[3]。

4 應用效果

電機車自動化控制系統投入試用，通過對RFID射頻識別技術的應用，定位精度可在10 m以內，實現了機車的精準定位，同時可在地面調度中心實時同步顯示，位置顯示刷新頻率為5 s/次；另外，電機車的運行速度、運行方向、前后車間距等狀態信息也會實時顯示，為工作人員提供了調度參考數據，當行人距離機車行駛方向25～30 m時，控制系統便會發出警報，提醒行人以及工作人員，電機車自動化控制系統達到了預期的優化效果。

5 結 語

傳統人工手動調度的電機車運輸系統存在很多缺陷與不足，為礦產的開采和運輸帶來了很多困擾。本文以此為出發點設計了一套集調度、智能監測、無線通信、自動控制四位一體的有軌運輸機車自動化控制系統。借助井下監測設備對運輸機車全方位的智能監測，實現了機車的精準定位，定位精度在10 m以內，同時對每輛機車的運行狀態實現了監測，可使工作人員遠程對其進行調度控制。該系統投入使用后，大大提高了電機車運輸系統的自動化水平，達到了數字化礦山建設的目標。