副井井口自動化運輸系統研究

李慧

(華亭煤業集團有限責任公司， 甘肅 華亭 744100)

0 引言

煤礦副井罐籠井口運輸環境較復雜，運輸系統主要通過人工控制，甚至采用人力推車方式，不僅耗費大量人力、物力，運輸效率低，安全性也難以保障。

華亭煤業集團有限責任公司(以下簡稱華亭煤業)副井罐籠井口2臺電機車采用人工就地掛接車廂、扳道、開車等操作方式，無法進行自動及遠程控制，且無保護設施。為提高井口運輸自動化程度和安全水平，采用慣性測量、PLC、電磁鐵連接等技術，設計了一種副井井口自動化運輸系統，實現了軌道運輸、車廂掛接、翻車卸載的自動化控制，減少了操作人員參與度，提高了井口運輸效率和安全性，為副井井口的無人化推進奠定了基礎。

1 副井井口運輸工藝及控制目標

1.1 運輸工藝

華亭煤業副井罐籠井口運輸設備包括軌道電機車、道岔機、翻車機、礦車車廂等，如圖1所示。

圖1 副井井口運輸工藝Fig.1 Transport techniology in auxiliary shaft pithead

車廂從罐籠下罐后，由人工對運輸物料分類，根據物料不同設置電機車運行路線。當運輸物料為礦石時，由1號電機車在a點掛接車廂，沿軌道運行至2號道岔機處換道岔，運行至b點與車廂脫鉤，由2號翻車機對車廂完成翻車操作。之后1號電機車掛接空車廂并經3號道岔機處換道岔運行至c點脫鉤，返回起點a。2號電機車由e點出發，經4號道岔機處運行至c點掛接車廂，將其推拉至d點脫鉤，之后回到e點。

當車廂運輸物料為廢石時，由1號電機車在a點掛接車廂，經1號道岔機處運行至f點脫鉤，由1號翻車機對車廂完成翻車操作。之后1號電機車運空車廂至c點脫鉤，返回起點a。2號電機車運行至c點掛接車廂，推拉至d點脫鉤，之后回到e點。

1.2 控制目標

副井井口自動化運輸系統設計目標是實現電機車無人駕駛、車廂自動掛接及脫鉤、自動卸礦、行人避讓、保護、監控等功能[1]，保障設備及行人安全，提高運輸效率。

電機車控制：具有無線信號收發功能，可無線傳輸電機車電流、電壓、速度等數據，接收道岔動作、路線選擇、剎車、加減速等信號；剎車系統改造為自動氣動式或液壓式，提高剎車性能；具有前方障礙物檢測功能，遇行人、障礙物時可鳴笛報警或停車；具有定位功能。

運輸路線控制：根據電機車設定的運行路線，可對沿途道岔自動扳道；可自動設定電機車行駛路線；電機車到達岔口時有紅綠燈指示；電機車到達彎道、岔口等特殊地點時可鳴笛報警、減速；電機車可根據不同路線自動調整速度；有信集閉功能。

電機車與車廂脫掛鉤控制：電機車可自動定點與車廂脫掛鉤；具有車廂精確定位功能(定位精度小于10 cm)，避免車廂脫掛鉤不到位，導致翻車機卸物料時發生事故。

道岔機控制：根據運輸物料自動完成扳道控制；實時監測和上傳道岔機狀態信息。

翻車機控制：具有翻車機速度及位置控制功能；可根據控制信號自動翻轉；在上下車前，翻車機軌道與地面軌道自動對平。

安全監視：可對重點位置(連接點、斷接點、道岔等)進行檢測與監控，保障電機車安全運行；可實現運輸系統相關參數的實時顯示。

2 系統組成

副井井口自動化運輸系統主要由集控中心、工藝控制中心、傳輸網絡、遠程控制分站(包括道岔機控制分站、翻車機控制分站)、移動控制分站等組成，如圖2所示。集控中心是系統的控制核心，其設置服務器、工程師站和操作員站，可監測運輸設備運行狀況，發送控制指令。工藝控制中心采用貝加萊X20型PLC[2]，完成井口運輸工藝控制。傳輸網絡基于礦區環網建立井口運輸環網，將無線基站、遠程IO(連接遠程控制分站)等接入環網，完成集控中心與控制分站的數據傳輸。移動控制分站采用X20型PLC，安裝在每臺電機車上，可實現遠程和就地控制電機車。電機車上安裝無線網橋，可與無線基站通信。

圖2 副井井口自動化運輸系統組成Fig.2 Composition of automatic transport system in auxiliary shaft pithead

3 系統關鍵技術

3.1 電機車定位

副井井口自動化運輸系統采用慣性測量與RFID(Radio Frequercy Identification,射頻識別)信標相結合的方式實現電機車定位[3-5]，避免了傳統位置編碼器定位方式的安裝問題及電機車打滑引起的定位誤差。

采用高精度慣性測量單元PA-IMU-300，通過RS422接口接入移動控制分站。PA-IMU-300使用簡便，無需特別配置附加功能，上電后2 s左右即可通過RS422接口向移動控制分站發送加速度、方位角等數據。移動控制分站根據PA-IMU-300測量的加速度和方位角，采用EKF(Extended Kalman Filter，擴展卡爾曼濾波)算法計算出電機車運行距離和方向，并結合軌道近似曲線方程計算電機車在運輸軌道上的具體位置。

設置PA-IMU-300采樣頻率為100 Hz，電機車初始位移s0=0、初速度v0=0、初始加速度a0=0。根據牛頓運動定律，求解電機車在第n個采樣點處的運動速度vn和位移sn：

(1)

(2)

式中：f為采樣頻率；an為第n個采樣點處的電機車加速度。

將電機車運行軌道分為若干段，將每段近似為直線或曲線，得到對應的直線方程(式(3))和曲線方程(式(4))。

(3)

(4)

式中：(Xn,Yn)為電機車在第n個采樣點處的坐標；θ為直線的傾斜角，θ=arctank，k為直線斜率，可實際測量得到；R為曲線(近似圓)半徑，可現場測量得到；ω為電機車轉過的角度，ω=(sn-s0)/(2πR×360)。

根據式(3)、式(4)可得電機車位置(Xn,Yn)。另外，在運輸軌道道岔上方安裝RFID信標，在電機車上安裝射頻讀卡器，實時讀取信標位置。當電機車通過RFID信標時進行位置校正，實現位置同步，進一步優化電機車定位。電機車位置可實時顯示在集控中心上位機監控界面。

3.2 電機車自動掛接車廂

3.2.1 車廂掛接方式

根據副井井口運輸工藝，罐籠每次上提2節車廂到井口，電機車需在指定位置完成對車廂的自動掛接、脫鉤和運輸。

電機車與車廂掛接采用電磁鐵連接方式[6]。在電機車車頭一側安裝盤型電磁鐵，車廂側安裝觸吸板，通過電磁鐵粘連觸吸板實現連接，如圖3所示。

1-觸吸板；2-碰撞開關；3-彈簧；4-支撐板；5-伸縮螺桿；6-電磁鐵；7-磁鐵體。圖3 電機車與車廂掛接示意Fig.3 Coupling between electric locomotive and carriage

當電機車接收到掛接車廂指令后，系統控制電機車前進。當電機車接近車廂時，碰撞開關被觸動，觸動信號發送給移動控制分站，控制輸出電磁鐵帶電。電機車繼續進車時，電磁鐵與車廂觸吸板緊密相吸，實現電機車與車廂連接。

彈簧在電磁鐵與車廂觸碰過程中起緩沖作用。當電磁鐵與車廂觸吸板繼續擠壓時，電磁鐵背板與支撐板接觸，實現推車。

電機車拉車廂時，電機車向前，電磁鐵緊密吸附車廂觸吸板(碰撞開關保持實時檢測狀態)，伸縮螺桿受力連接磁鐵體與支撐板，拉動車廂前進。

3.2.2 電磁鐵選型

電磁鐵選用吸盤式，其在通電狀態下產生強勁吸附力，可對被吸附物體起連接或移動作用，廣泛用于自動化生產線上的分揀機器、機械手等進行材料或產品輸送，使用方便、可靠，且可實現遠程操作。

根據系統設計要求，電機車需1次推拉2節車廂。2節車廂載重后總質量約為4 t，在軌道上拖動需1.2 kN左右的力。電機車可提供DC24 V電源。因此，選用某廠家D200/63型電磁鐵，其直徑為25 cm，最大保持拉力為2 kN，電壓為DC24 V，功率為80 W，滿足系統要求。

3.3 自動扳道

電機車進入自動扳道區域后，系統檢測道岔位置，若電機車需要變軌道運行，則通過該位置的道岔機控制分站將道岔狀態發送給工藝控制中心。工藝控制中心判斷是否滿足扳道條件，若是則發出扳道指令，控制道岔機扳道，否則令電機車進入等候區，待滿足扳道條件后扳道。

根據運輸物料不同，1—4號道岔機對相應道岔扳道。道岔機上安裝扳道檢測開關，實時檢測扳道是否到位[7]，并對電機車運行進行閉鎖[8]，保證其安全性。電機車運行狀況及道岔狀態均可通過傳輸網絡發送至集控中心和調度室，供操作人員查看。

3.4 自動翻車

系統采用轉筒翻車機，其由變頻器驅動，翻轉角度通過絕對值編碼器實時檢測[9]。翻車機翻車速度、保護及到位狀態由翻車機控制分站(PLC)檢測和控制，如圖4所示。當電機車到達翻車機處準備卸物料時，PLC發出允許卸載信號，電機車推動車廂進入翻車機軌道，翻車機檢測到車廂到位后，向電機車發送到位信號，電機車停止運行并自動與車廂脫鉤。之后電機車向翻車機發送卸載信號，翻車機執行卸載程序，之后自動對平位置，并將完成卸載信號發送給電機車。電機車自動掛接車廂后將車廂拖出。

圖4 翻車機控制示意Fig.4 Tipper control

翻車時，PLC實時檢測絕對值編碼器輸出值。該值在單位時間內的變化率隨給定翻車速度而線性變化，因此通過該值可獲取翻車速度。當變頻器失速或發生斷軸、連接軸脫離等情況時，編碼器輸出值不等于變頻器輸出值，如果軸完全斷開，則編碼器輸出值變化率為0。此時將啟動PLC保護程序[10]，關斷電動機抱閘，停止變頻器輸出，使翻車機緊急制動。

4 系統應用

系統在華亭煤業投運以來，運行良好，減少了人員投入，提高了副井井口運輸效率和安全性。系統運行數據可實時傳送至井口調度室和集控中心，供遠程監控人員查看，提高了井口運輸調度能力和效率。電機車運行監控界面如圖5所示。

圖5 電機車運行監控界面Fig.5 Monitoring interface of electric locomotive runnning

5 結語

副井井口自動化運輸系統綜合運用慣性測量、RFID信標定位、電磁鐵連接、無線通信、PLC等技術，實現了副井井口運輸系統的自動化控制，提高了運輸效率，減少了人工投入，實現了老礦區人力資源型向經濟技術型轉變，對實現無人化礦山具有現實意義。