西翼暗斜井道岔自動(dòng)集控裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高理鵬 徐士龍 孟凡龍

（山東能源棗礦集團(tuán)高煤公司，山東 濟(jì)寧 277600）

1 問(wèn)題的提出

高煤公司暗斜井軌道采用雙鉤提升，矸石車和空車皮均從下口各自車道進(jìn)出，上口從兩滾筒對(duì)應(yīng)的車道進(jìn)車，從專用出車道出車。通過(guò)人工控制下口、變坡點(diǎn)和上口3 個(gè)道岔實(shí)現(xiàn)正確進(jìn)、出車。但從以往的實(shí)踐來(lái)看，提升系統(tǒng)及軌道運(yùn)輸系統(tǒng)故障頻發(fā)，無(wú)法滿足安全、高效、穩(wěn)定、運(yùn)輸自動(dòng)化、運(yùn)輸智能化的功能需求，必須對(duì)人工控制的方法進(jìn)行調(diào)整。

暗斜井道岔系統(tǒng)的要求為：（1）提升機(jī)半小時(shí)以上故障影響時(shí)間每月累計(jì)不超過(guò)5 h；（2）要能適應(yīng)近年來(lái)西翼提運(yùn)量的逐年上升要求；（3）斜巷軌道要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)扳道，并能夠采集、掌握軌道信息。

結(jié)合上述需求，滿足需求的關(guān)鍵點(diǎn)在于自動(dòng)化控制、全方位監(jiān)測(cè)、齊全有效的安全保護(hù)三方面。因此，需對(duì)高煤公司西翼暗斜井道岔自動(dòng)集控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研制[1-2]，同時(shí)要求該裝置扳道誤操作率<2‰，扳道裝置實(shí)現(xiàn)人工零介入。

2 道岔自動(dòng)集控裝置方案的比選及確定

2.1 總體方案的比選及確定

2.1.1 總體方案的分析

依據(jù)裝置需滿足的功能要求，要實(shí)現(xiàn)上、下口道岔的集控和保護(hù)，首先確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。利用頭腦風(fēng)暴法分析想法與思路，提出了以下3 種總體方案。

（1）獨(dú)立結(jié)構(gòu)。上口和下口各設(shè)立一個(gè)主站，上、下口驅(qū)動(dòng)裝置和反饋信號(hào)接入各自主站，通過(guò)主站獨(dú)立程序?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制。上、下口互相獨(dú)立，各自監(jiān)視所負(fù)責(zé)的道岔狀態(tài)。

（2）主—分結(jié)構(gòu)。上口設(shè)立主站，下口設(shè)立I/O 分站，主、分站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。下口驅(qū)動(dòng)裝置和反饋信號(hào)通過(guò)通信傳入主站，通過(guò)主站程序?qū)崿F(xiàn)上、下口控制和監(jiān)視功能。

（3）主—主結(jié)構(gòu)。上口和下口各設(shè)立一個(gè)主站，上、下口驅(qū)動(dòng)裝置和反饋信號(hào)接入各自主站，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立控制。上、下口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和集中監(jiān)視，上、下口均具備監(jiān)視功能。

2.1.2 總體方案的比選

從功能性、經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性比選方案：

（1）功能性比選。分析3 種方案的工藝流程，尋找工藝流程中難以推進(jìn)與實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)或者需人工介入的節(jié)點(diǎn)。3 種方案無(wú)難以推進(jìn)或需人工介入的節(jié)點(diǎn)，功能性能夠滿足要求。

（2）經(jīng)濟(jì)性比選。分析3 種方案所需設(shè)備與材料投入，比較經(jīng)濟(jì)性。3 種網(wǎng)絡(luò)方案中，主—分結(jié)構(gòu)預(yù)算最低，主—主結(jié)構(gòu)超預(yù)算。

（3）安全可靠性比選。測(cè)試3 種方案的拒動(dòng)率（掃描周期選擇50 ms，馬達(dá)轉(zhuǎn)速選擇100 r/min），并分析各方案觸發(fā)保護(hù)時(shí)可施加的處理方式。

根據(jù)分析與試驗(yàn)對(duì)比可知，3 個(gè)方案均能滿足裝置功能性要求，主—分結(jié)構(gòu)和主—主結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)功能更完善、全面，主—分結(jié)構(gòu)預(yù)算最低。綜合以上因素，確定選擇主—分結(jié)構(gòu)構(gòu)建道岔自動(dòng)集控裝置。

2.2 二級(jí)方案的比選及確定

將主—分結(jié)構(gòu)細(xì)化拆分為二級(jí)方案，進(jìn)一步比選和確認(rèn)。將監(jiān)視、控制和執(zhí)行3 個(gè)細(xì)分方式的不同方案進(jìn)行試驗(yàn)、分析，確定二級(jí)方案，如圖1。

圖1 二級(jí)方案系統(tǒng)示意圖

2.2.1 監(jiān)視方式比選

（1）功能性對(duì)比。3 種監(jiān)視方式均能夠顯現(xiàn)出道岔和保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)功能的程度上是一致的，但工控組態(tài)顯示辨別時(shí)間最短，辨別正確率最高。

（2）安全可靠性對(duì)比。從各方案搭建系統(tǒng)的故障點(diǎn)數(shù)量和主體配件可靠性上分析、比較其安全可靠性。反復(fù)通斷型設(shè)備每鉤動(dòng)作一次，根據(jù)年走鉤數(shù)量折算其壽命，105 次約合半年。工控組態(tài)顯示不含反復(fù)通斷型設(shè)備，故障點(diǎn)最少，安全可靠性最高。

（3）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。在預(yù)算不高于總體方案中監(jiān)視裝置投資額的前提下對(duì)比各方案經(jīng)濟(jì)性。3 種方案投資均低于總體方案中的監(jiān)視裝置預(yù)算，工控組態(tài)顯示略低于指示燈拼接顯示，但換來(lái)的是倍增的功能性效果和安全可靠性。綜合以上因素，確定工控組態(tài)顯示作為最終監(jiān)視方式。

2.2.2 控制方式比選

因3 種方式工藝類似，分組就3 種控制方式直接進(jìn)行試制，將完成全部試制流程、可用于現(xiàn)場(chǎng)控制的方案作為最終方案。PLC 控制試制流程如圖2。

圖2 PLC 控制試制流程圖

PLC 控制試制成功；單片機(jī)控制試制失敗；DCS 控制試制失敗。故確定選擇PLC 控制方式。

2.2.3 執(zhí)行方式比選

（1）功能性對(duì)比。使用手動(dòng)板道器配合扭力扳手，量測(cè)扳道至少需要扭矩T為300 N·m。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足功能性要求，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案不滿足功能性要求。

（2）安全可靠性對(duì)比。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)有不可靠因素，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不需要其他投入。

（3）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。在預(yù)算不高于總體方案中驅(qū)動(dòng)裝置投資額的前提下對(duì)比各方案經(jīng)濟(jì)性，選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為最終執(zhí)行方式。

綜合以上比較，確定選擇工控組態(tài)顯示作為裝置監(jiān)視方式，確定PLC 控制作為裝置整制方式，確定氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行方式。

2.3 三級(jí)方案的比選及確定

為PLC 通信方式、反饋信號(hào)傳感器和安全保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式等細(xì)節(jié)選定最佳方案。

2.3.1 PLC 通信方式比選

篩選滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件的PLC 通信方式。通過(guò)分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通信方式需要滿足以下2 個(gè)條件：（1）通信距離滿足1000 m 以上；（2）支持主—分結(jié)構(gòu)。對(duì)TCP/P、Profibus、CC-LINK 3 種通信方式進(jìn)行預(yù)算和功能性試驗(yàn)比選，確定PLC 通信方式為CC-LINK。

2.3.2 反饋信號(hào)傳感器比選

選擇效果最好的金屬感應(yīng)傳感器作為反饋信號(hào)傳感器。

2.3.3 安全保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式

安全保護(hù)包括道岔拒動(dòng)和軌道錯(cuò)位，可由裝置自行判斷或由電控系統(tǒng)參與判斷。對(duì)這兩種方式進(jìn)行比較如下：（1）裝置PLC 判斷，然后將保護(hù)接點(diǎn)接入電控系統(tǒng)。判斷錯(cuò)道程序編制需要礦車行程信號(hào)作為條件，但本裝置PLC 無(wú)法提供礦車行程數(shù)據(jù)。（2）傳感器接點(diǎn)串入電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)判斷并保護(hù)。電控系統(tǒng)PLC 接收本裝置的傳感器反饋接點(diǎn)，且具備行程計(jì)算功能。確定電控PLC 判斷并保護(hù)實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。

2.4 方案確認(rèn)

基于上述分析研究，西翼暗斜井道岔自動(dòng)集控裝置最終方案如圖3。

圖3 最終方案系統(tǒng)圖

各配件均選用本單位常用備件，不再進(jìn)行單獨(dú)選型。根據(jù)最后的配件單進(jìn)行成本核算，確保不超過(guò)總體預(yù)算，并制作方案預(yù)算表，詳見(jiàn)表1。

表1 方案預(yù)算表

從表1 可知，確定的方案成本在總體預(yù)算之內(nèi)，決定對(duì)此方案開(kāi)展實(shí)施。

3 道岔自動(dòng)集控裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)施

3.1 搭建執(zhí)行裝置

（1）設(shè)計(jì)安裝氣動(dòng)扳道裝置；（2）設(shè)計(jì)安裝扳道控制裝置；（3）設(shè)計(jì)安裝電磁閥控制回路。通過(guò)扳動(dòng)繼電器強(qiáng)制機(jī)構(gòu)試驗(yàn)3 處道岔動(dòng)作情況，并記錄道岔動(dòng)作次數(shù)。3 處道岔均借助控制回路實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，拒動(dòng)率為0。

3.2 搭建監(jiān)控系統(tǒng)

（1）安裝上、下口站點(diǎn)。設(shè)計(jì)PLC 電控系統(tǒng)，上、口各設(shè)置一個(gè)站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程CC-LINK 通信。安裝站點(diǎn)于本安信號(hào)操作臺(tái)，接通實(shí)現(xiàn)上、下口通信。

（2）編制程序組態(tài)。設(shè)計(jì)并編制主站通信、電控程序和軟件組態(tài)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)上、下口和變坡點(diǎn)道岔一站式自動(dòng)集控和道岔狀況監(jiān)視。驗(yàn)證：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3 處道岔自動(dòng)動(dòng)作和組態(tài)監(jiān)視工作狀況。集控系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)了全部道岔自動(dòng)監(jiān)控功能。

3.3 搭建保護(hù)功能

（1）設(shè)計(jì)保護(hù)功能并接入。設(shè)計(jì)輔助保護(hù)功能，將下口軌道開(kāi)關(guān)信號(hào)接入下口遠(yuǎn)程I/O 分站，通過(guò)通信傳至上口主站，主站通過(guò)程序轉(zhuǎn)換為繼電器輸出，將繼電器接點(diǎn)接入電控系統(tǒng)。

（2）在電控系統(tǒng)中編制安全保護(hù)程序，實(shí)現(xiàn)軌道錯(cuò)位安全保護(hù)功能。根據(jù)軌道開(kāi)關(guān)狀態(tài)和絞車位置條件判斷軌道錯(cuò)位，然后將錯(cuò)位接點(diǎn)接入提升機(jī)軟件安全回路，觸發(fā)安全回路后，PLC 緊停，提升機(jī)施加安全制動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)軌道錯(cuò)位保護(hù)觸發(fā)時(shí)動(dòng)作情況。安全保護(hù)觸發(fā)正常，施加安全制動(dòng)。

4 實(shí)踐應(yīng)用效果及效益分析

4.1 應(yīng)用效果分析

集控裝置研制并于2021 年2 月投運(yùn)后，利用兩個(gè)月的時(shí)間統(tǒng)計(jì)該裝置運(yùn)行中的誤操作率。每提升1 鉤，道岔動(dòng)作3 次，每次道岔拒動(dòng)，保護(hù)需作用1 次。道岔動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 道岔動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)表

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，道岔拒動(dòng)率和保護(hù)失效率均控制在0.2%以下，全程實(shí)現(xiàn)人工零介入，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 功能檢查

對(duì)2 月和3 月內(nèi)西翼提升機(jī)故障影響時(shí)間和提升車數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明故障影響時(shí)間顯著下降，自動(dòng)化程度提高，提升車數(shù)提高11.2%。

4.3 效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益顯著。同類型道岔自動(dòng)集控裝置的市場(chǎng)價(jià)約為15 萬(wàn)元，自主研發(fā)設(shè)備為企業(yè)節(jié)約資金約14.2 萬(wàn)元。裝置的應(yīng)用每月可創(chuàng)效金額約為1350 元。

（2）安全效益顯著。全方位監(jiān)控，提高斜巷安全可靠性；降低故障影響時(shí)間，提高安全運(yùn)行效率；提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，彰顯無(wú)人則安的理念。

（3）社會(huì)效益顯著。提高斜巷提運(yùn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；降低系統(tǒng)維護(hù)量，提高現(xiàn)場(chǎng)管理水平；創(chuàng)新設(shè)備自動(dòng)化發(fā)展思路，為智慧礦山做鋪墊。