煤礦軌道運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

吳旗開

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號井， 山西 長治 046000）

引言

在我國大部分礦井作業(yè)過程中，軌道運(yùn)輸是最為常見的輸送礦石及物料的一種方式。特別是使用時間超過額定年限的礦井，在礦井有限的空間中，巷道排布混亂，加上其中來往反復(fù)的運(yùn)輸工作，假如沒有相關(guān)有效且可靠的監(jiān)控手段，不僅使礦下工人的人身安全得不到保障，而且非常容易發(fā)生脫軌、機(jī)車頂頭、追尾等嚴(yán)重的礦井交通災(zāi)難。所以對軌道運(yùn)輸在礦井下的安全保障運(yùn)行進(jìn)行研究是非常有必要的。

1 礦井原軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

通過對某礦井實(shí)際調(diào)查得出該礦井的深度為400 m，目前的實(shí)際作業(yè)深度為-375 m，礦井挖出的煤炭通過皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動到地面，其他物料裝備通過軌道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸，其作用是運(yùn)出挖掘點(diǎn)的煤炭等礦料，同時將所需要的物料輸送至所需要繼續(xù)采掘的地方。在不斷進(jìn)行作業(yè)的情況下，挖掘深度越來越深，所遇工況愈加復(fù)雜，且所鋪設(shè)的軌道交通愈來愈遠(yuǎn)，工人們作業(yè)的安全風(fēng)險隨之不斷上升，井下所需要的安全調(diào)控系統(tǒng)要求也越來越高。礦井原有的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)隨著作業(yè)深度的加深，急需進(jìn)行改進(jìn)[1-2]。

1）運(yùn)輸機(jī)車無法準(zhǔn)確定位。由于之前使用的監(jiān)控技術(shù)使用年限過長，加之井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，使得運(yùn)輸機(jī)車無法配合監(jiān)控系統(tǒng)，屢屢出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問題，給礦井采掘運(yùn)輸工作造成很大麻煩。

2）運(yùn)輸機(jī)車工況無法實(shí)時監(jiān)控。因?yàn)槟壳霸诰露鄶?shù)的運(yùn)輸機(jī)車中大部分都已超過額定的使用車齡，導(dǎo)致機(jī)車在運(yùn)輸作業(yè)過程中故障頻發(fā)，軌道運(yùn)輸系統(tǒng)還不能完全有效地及時監(jiān)控到機(jī)車突發(fā)狀況，故在這一方面還要進(jìn)行很大的改進(jìn)。

3）未實(shí)現(xiàn)智能化、可視化等監(jiān)控功能。目前，在礦下機(jī)車不能有效地納到監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，無法高效地智能化的進(jìn)行運(yùn)營，可視化監(jiān)控等功能尚未實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響了井下工作效率，工人的人身安全也不能得到有效的保障。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，智能監(jiān)控系統(tǒng)依照井下設(shè)備層、地面監(jiān)控層、PLC 控制層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。井下設(shè)備通過電路和網(wǎng)絡(luò)接入PLC 控制層，其中主要有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信號機(jī)、道岔指示器、電動轉(zhuǎn)轍機(jī)等組成。調(diào)度室中安放布置地面監(jiān)控層，其主要設(shè)備由打印機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成。PLC 控制層的主要組成部分有一個控制主站和相關(guān)控制分站，這兩部分是整個設(shè)備系統(tǒng)的核心，作用是傳遞信息，與整個系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)直接相關(guān)[3-4]。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

通過對礦井情況的實(shí)際調(diào)查，軌道運(yùn)輸系統(tǒng)中至關(guān)重要的PLC 控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)功能有：在機(jī)車運(yùn)行時實(shí)時知道機(jī)車的位置及行進(jìn)狀況，并能實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控；在礦井工作時，有時根據(jù)需求需要對語音箱、道岔指示器等進(jìn)行智能控制，下達(dá)相關(guān)指令等；另一方面，需要通過PLC 控制系統(tǒng)完成井下供電及通訊網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)布置，實(shí)現(xiàn)信息的及時傳輸。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)

在整個軌道運(yùn)輸調(diào)控系統(tǒng)中，主要的三個部分之間通過較高的數(shù)據(jù)傳輸速率實(shí)現(xiàn)指令收發(fā)、信息實(shí)時上傳等功能。通過在設(shè)備上應(yīng)用西門子S7-1200 型PLC 的以太網(wǎng)接口，在交換機(jī)的作用下，轉(zhuǎn)換傳遞信號，構(gòu)建起軌道運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部的以太網(wǎng)絡(luò)，以便實(shí)時監(jiān)控機(jī)車的運(yùn)行狀況。為便于設(shè)備偶合對接以及支持S7-1200 型PLC 的編程組態(tài)，通過查找最終決定使用西門子STEP7-V13 編程軟件進(jìn)行本軌道運(yùn)輸系統(tǒng)軟件開發(fā)，即WINCC 計(jì)算機(jī)智能監(jiān)控軟件，主要包括監(jiān)控界面、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理三大模塊，如圖2 所示，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控操作、運(yùn)行記錄、報表打印等功能。WINCC與PLC 控制主站在內(nèi)部系統(tǒng)以太網(wǎng)中，通過IP 地址配置進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)[5-6]。

圖2 控制系統(tǒng)工作流程示意圖

3 可實(shí)現(xiàn)的主要功能分析

根據(jù)礦井施工要求和作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)出配套的軌道運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)，并在井下實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期的目標(biāo)，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中幾點(diǎn)功能介紹如下：

1）運(yùn)輸機(jī)車精確定位及實(shí)時顯示。機(jī)車在井下工作時，由于其安裝有帶有信息的識別卡，在無線射頻技術(shù)和軌道計(jì)軸器的作用下，能夠?qū)崟r定位每部機(jī)車的運(yùn)行位置，而且通過可視化智能監(jiān)控，能夠直觀地了解機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，便于井下的調(diào)控和操作。

2）軌道道岔遠(yuǎn)程控制功能。通過軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的可視化監(jiān)控，井下道岔的切換狀態(tài)可實(shí)時的以電子圖的形式直觀展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，對道岔的切換實(shí)現(xiàn)了有效及時的控制，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度的時候，系統(tǒng)將自動對道岔進(jìn)行閉鎖，防止不慎操作。

3）故障分析及應(yīng)急處置功能。人身安全永遠(yuǎn)是第一位的，特別是井下工作，安全風(fēng)險很高，因此系統(tǒng)的應(yīng)急處置能力至關(guān)重要。通過設(shè)備在井下的運(yùn)行實(shí)踐后，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對軌道、電氣設(shè)備的不間斷監(jiān)控，若出現(xiàn)緊急情況，應(yīng)急處置功能將立即采取措施，同時發(fā)出故障警報，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4）實(shí)時錄像功能。通過井上井下的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)監(jiān)控技術(shù)，能夠全天候的24 h 監(jiān)控系統(tǒng)及井下工作情況，并將數(shù)據(jù)上傳保存井上井下雙備份，數(shù)據(jù)保存時間至少7 d，在有需要時可隨時回放以往數(shù)據(jù)查看。

5）聯(lián)網(wǎng)管理功能。該軌道運(yùn)輸系統(tǒng)在采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口接入環(huán)網(wǎng)或單獨(dú)組網(wǎng)，就可以在地面或井下監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)屏幕展現(xiàn)清晰的視頻圖像，兩地同時實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，方便領(lǐng)導(dǎo)在必要時準(zhǔn)確掌握第一手決策信息，確保井下人車的安全管理。

6）Wi-Fi 通信兼容功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)作為一個開放的網(wǎng)絡(luò)，能夠允許存在其他Wi-Fi 信號的傳遞輸送，這就使井下Wi-Fi 的設(shè)置實(shí)現(xiàn)了可能，大大便利了井下的作業(yè)和系統(tǒng)的高效運(yùn)行[7]。

4 實(shí)踐應(yīng)用效果分析

如上所述將以上所設(shè)計(jì)的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)在井下付諸實(shí)踐1 年后，各部分運(yùn)行情況基本良好，沒有出現(xiàn)太大的問題。其具體應(yīng)用效果如下：

1）通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了井下軌道運(yùn)輸?shù)闹悄芑刂疲捎谥悄芑刂剖沟脵C(jī)車的安全運(yùn)行得到了很大保障，發(fā)生事故的概率減小，交通事故嚴(yán)重減少，生產(chǎn)及運(yùn)輸效率極大提高，整個系統(tǒng)直觀可控，運(yùn)行良好。

2）軌道運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化控制，使得井下的各部分工作可在有需要時隨時進(jìn)行調(diào)控，并能實(shí)時地通過數(shù)據(jù)攝像機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，尤其是要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化控制井下的設(shè)備和車輛，使其安全高效的運(yùn)行，該技術(shù)水平的實(shí)現(xiàn)極大地提升了在該行業(yè)的競爭力。

5 結(jié)語

通過該礦井軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的升級改造，至今該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)太大的故障問題，運(yùn)行狀況一直保持良好，其中通過可視化智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下機(jī)車的實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，在道岔切換，車輛合理調(diào)配等發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，大大提高了井下生產(chǎn)運(yùn)輸效率。同時使整個系統(tǒng)操作簡便，穩(wěn)定性及礦井工作能力大大提高。