礦井軌道運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計及應用

郝 珉

（汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300）

引言

軌道運輸在我國各大礦區(qū)應用廣泛，是井下運輸矸石、物料的主要運輸方式。尤其是對于一些服務年限較長的礦井，受限于巷道空間等因素，井下軌道布置錯綜復雜，加之繁重的運輸任務，如果缺乏可靠調(diào)度及有效監(jiān)控，容易造成運輸機車頂頭、撞車、追尾、出軌、翻車等不同嚴重程度的事故，對礦井安全高效運輸造成較大隱患[1-4]。因此，有必要對礦井的軌道運輸工作展開優(yōu)化研究。

1 工程概況及研究背景

實踐礦井井深為400 m，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-375 m，煤炭運輸系統(tǒng)采用皮帶輸送機，物料輔運系統(tǒng)采用軌道機車運輸，負責將采掘工作面的煤炭和矸石等運出，并將井下的物料運至采掘地點。隨著采掘工作的不斷深入，井下軌道鋪設越來越遠，軌道交叉工作情況越來越多，軌道機車的運輸任務也越來越繁重，目前-375 m 水平共有11 輛架線電機車進行軌道運輸，機車的合理調(diào)度及安全運行難度越來越大。礦井運輸系統(tǒng)原有一套監(jiān)控系統(tǒng)，亟需進行改進。

1）運輸機車無法準確定位。原監(jiān)控系統(tǒng)技術老舊，長時間井下潮濕環(huán)境影響，傳感器精度降低，導致運輸機車定位出現(xiàn)偏差或者無法定位到，給運輸調(diào)度工作造成不利影響。

2）運輸機車工況無法實時監(jiān)控。由于井下運輸機車數(shù)量較多，且一半以上的機車使用年限已超過5 年，造成機車故障率較高，礦井還未實現(xiàn)對機車工況的實時監(jiān)控，在機車養(yǎng)護、故障處置方面還需進行改善。

3）未實現(xiàn)智能化、可視化等監(jiān)控功能。機車目前缺乏高效調(diào)度，工作效率較低，且未實現(xiàn)遠程自動調(diào)度、可視化監(jiān)控顯示功能，無法掌握機車的實時運行狀態(tài)，對于合理安排工作線路、調(diào)度車輛位置、進行道岔切換等缺乏有效指導。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計

2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構設計

智能監(jiān)控系統(tǒng)遵循地面監(jiān)控層、PLC 控制層、井下設備層的三層結構設計，如圖1 所示。地面監(jiān)控層設置在調(diào)度室，主要由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)服務器、打印機等組成；PLC 控制層主要由一個控制主站和相關控制分站組成，是整個系統(tǒng)的核心，負責信息指令的上傳下達，其功能設計及工作效率直接決定整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)；井下設備層通過供電電路及以太網(wǎng)絡接入PLC 控制層，主要包括現(xiàn)場的電動轉轍機、道岔指示器、軌道計軸器、信號機、語音箱、觸摸屏、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成[5-6]。

PLC 控制系統(tǒng)的功能設計至關重要，根據(jù)該礦具體情況和系統(tǒng)改造要求，要求實現(xiàn)的基本功能有：準確定位系統(tǒng)內(nèi)機車的實時位置、行進方向和行進速度，并在地面監(jiān)控計算機運行圖中進行動態(tài)顯示；智能控制或者根據(jù)地面調(diào)度室指令，對電動轉轍機、道岔指示器、信號機、語音箱等進行控制，根據(jù)要求下達道岔切換指令等；完成供電網(wǎng)絡及通訊網(wǎng)絡的設計布置，保證數(shù)據(jù)信息的實施傳輸。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡構建及軟件設計

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，由于要實現(xiàn)信息實時上傳、視頻監(jiān)控、采集信息、指令收發(fā)等功能，三層模塊之間需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。設計應用西門子S7-1200 型PLC 的以太網(wǎng)絡接口，基于交換機作用，將信號進行轉換及傳輸，構建起供系統(tǒng)應用的內(nèi)部工業(yè)以太網(wǎng)絡，并搭建起機車設備實時顯示網(wǎng)絡結構。為便于設備耦合對接以及支持S7-1200 型PLC 的編程組態(tài)，使用西門子STEP7-V13 編程軟件進行本系統(tǒng)軟件開發(fā)，即WINCC 計算機智能監(jiān)控軟件，主要分系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控界面三大模塊，如圖2 所示，可實現(xiàn)用戶管理、故障記錄、運行記錄、報表打印、監(jiān)控操作等功能。WINCC 與PLC 控制主站在內(nèi)部工業(yè)以太網(wǎng)絡中，通過IP 地址配置進行通訊連接，實現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)關聯(lián)。

圖2 控制系統(tǒng)工作流程示意圖

3 應用情況分析

根據(jù)設計的總體方案、軟件程序及工作流程，研發(fā)出礦井軌道運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)，并在該礦實踐應用。監(jiān)控系統(tǒng)升級使用后，符合設計預期，順利通過多項驗收，并實現(xiàn)了以下功能及特性：

1）運輸機車精確定位及實時顯示。在每部機車上安裝帶有其信息的識別卡，基于無線射頻技術，并與軌道計軸器共同作用，實現(xiàn)了運輸機車的精確定位，并將定位數(shù)據(jù)上傳，在調(diào)度室計算機實時顯示其位置以及與其他機車的位置關系，同時，基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對機車運行狀態(tài)有了更直觀的展示，便于調(diào)度操作。

2）軌道道岔遠程控制功能。道岔實現(xiàn)了就地控制、遙控器控制以及系統(tǒng)遠程控制功能，同時，道岔的切換狀態(tài)可實時上傳，并在調(diào)度室計算機以電子圖形的方式進行直觀展示；同時，道岔具備閉鎖功能，系統(tǒng)執(zhí)行遠程調(diào)度指令時，自動將道岔進行閉鎖，防止誤操作。

3）故障分析及應急處置功能。系統(tǒng)對運輸機車、其他電氣設備、軌道、保護系統(tǒng)等進行不間斷監(jiān)控，動態(tài)分析設備運行參數(shù)，一旦出現(xiàn)參數(shù)失常或其他異常情況，將立即采取緊急停車等應急處置措施，并發(fā)出故障警報，使系統(tǒng)處于安全高效的運行狀態(tài)。

4 結語

礦井軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)升級運行至今，保持著穩(wěn)定的狀態(tài)，對于運輸機車的動態(tài)監(jiān)控、車輛調(diào)度、故障分析處置等發(fā)揮了關鍵作用，且整個系統(tǒng)操作便捷，維護簡單，可靠性高，對整個軌道運輸工作切實起到了優(yōu)化改良作用。