井下電機車地面遠程遙控系統研究與應用

黃元葉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

目前我國尚無成熟的遠距離遙控井下電力機車的先例。礦井電機車全部由現場手動駕駛，作業方式為：裝礦時，每輛電瓶車都要跟著一名放礦員在放礦時對車；放礦等作業要求礦工與機車司機之間的持續信息交流。配合、二次對車容易造成人為效率降低、裝載異常，存在安全隱患。瑞典基律納地下鐵公司在20 世紀70 年代就著手開發無線遙控電力機車和無線通信技術，并在此基礎上實現了對無線遙控列車的遠程控制。如今，其主干道級別已經降到了-1045 m，也是首次使用無人駕駛水平軌道，其主要功能是在列車行駛時，實現自動駕駛，到達裝礦點位后，由主控室內遙控。

1 工程概述

某礦區階段采掘范圍為-330 m。一期礦山生產能力為320萬噸/年，年產礦石25 萬噸。采區共有13 口礦巖溜井，-180 m 以上采區礦巖經溜井至-180 m，-180 m 段為環形輸送，4 條穿脈段用有軌運輸法將13 條礦巖溜井送至主溜井，為下段粉碎和提升系統作好原料。采場礦巖運輸：20 t 電力機車從主井車場拉起10 m 的下側卸礦車，通過石門的車行；上盤巷；運輸巷、經脈、穿脈、裝礦，裝上礦石后，沿穿脈、下盤運輸巷、車場石門、主井車場的卸貨。因受現場環境及裝備等因素的制約，在整個交通等級上，電機車滑線斷點達16 條，因此，在斷電時，需要采用手動方式降落。在礦井溜井的下部，利用振動式放礦器，把溜井液中的礦料裝進10 m3的底部卸料小車，最大溜距為800 mm。本裝置使用XLZ 型滑井振動放礦器，2 塊平板并聯，向礦車中裝載礦石，每輛礦車進行2 次對位放礦。-180 m 分段式交通系統的窄軌采用900 mm 的軌距和43 kg/m 的軌距。列車運行3 列，每一列牽引8臺10 m 長的底部側卸式礦車，4 輛20 t 的電力機車，3 輛運行，1輛待命，10 m 下側卸式采煤機24 個，備用8 個，4 輛電力機車全部由ZKT-2×200/550 型的IGBT 斬波調節器進行，由人工手動控制，電機車前制動為腳踏式氣壓制動器，電動弓架為手動起重[2]。

2 井下電機車地面遠程遙控技術

該系統是一套完整的礦井電力機車運輸系統，包括數字派配礦、控礦控制。風控操作：各種安全防護功能的自動卸載和操作。通過一個統一的平臺，對運輸系統進行有效的分析和決策，建立起一個整體的邏輯關系，實現了運輸系統的有效運行。主要技術：一是將機械、電氣、自動化控制、計算機、有線通信、無線通信等技術結合起來，在全國率先實現了對礦電機車的地面控制。二是利用電聯回路控制、受電信號自動提升控制等技術，對常規的斬波調速井下電力機車進行技術改造，使礦井運輸系統實現自動化。三是在保證系統安全、穩定、高效運行的前提下，解決了地下礦井無線通信覆蓋、大容量、實時交叉等技術難題。第一階段的采場配礦，是指由采場進路上的鏟運車出礦，然后將其倒出到采場的溜井。依據地質模型，依據放礦橢球原理，建立了相應的數學模型，并對各鏟的各項參數進行了計算。二次主溜井配礦，是指用電機車從各個溜井中把礦石裝入到主溜井的配礦工藝。根據一次開采的成果，從產出、質量、安全、狀態、時間等方面，通過建立數學模型，對各個溜井的放礦次序、放礦量進行控制，以確保出礦平衡、穩定。根據二次配礦計劃的生產進度，在破碎作業區調度操縱“信集閉”的控制系統，并對機車的作業區段及裝礦點進行指令。遠距離遙控電機車按照“信集閉”的運行路線及指示，完成主要運輸作業。

3 井下電機車地面遠程遙控系統組成

3.1 派配礦單元

煤礦下窄軌信集中控制系統的主、分站均位于煤礦地下交通系統，主分站設置在地下交通系統，地面主控室設有作業平臺，地下運輸層采用無線通信，井下輸送層采用地下通信。100 M網絡通信系統由1 臺位于地面中心機房的主開關及1 臺地下傳輸級網路分交換機組成，不間斷電源系統位于中心機房，井下電力機車及井下交通水平網路分交換機各1 臺，在井下輸送水平溜井處設置了溜井遙控裝礦裝置，在井下輸送的水平溜井上，在井下輸送水平溜井裝礦點位上安裝了溜井遙控裝礦視頻監測系統，井下窄軌信號的集中和閉合控制。溜井遙控裝礦系統與地面中央機房的主交換機通過100 M 網絡相連，電力機車的自動防護系統提供安全防護，與地下電力機車進行通信，并與地面中心計算機的主交換機連接，形成完整的通信網路，可進行實時的數據采集、判斷、分析、控制、執行、顯示和存儲。溜井遠程裝礦視頻監測系統是通過專用的光纖網絡，將現場的實時圖像傳輸到地面監控平臺上，以達到監測煤礦生產的目的[3]。

3.2 機車單元

該礦的電力機車輸送系統共有4 部20 t 電力機車，其中3部運行、1 部待機。主控室操作員在電腦上操作，確定要控制的電力機車，一臺電力機車只能由一個控制臺來選擇，這時，控制臺與實際控制的裝置建立了聯系，它發出的命令僅控制選定應答的受控目標。本模塊是對電力機車的各項操作及生產報告進行統計，對電力機車的查詢、故障信息等進行實時顯示。

3.3 運行單元

地面遙控操作員利用電腦系統，將載重命令發送到破碎作業調度，由調度員按照作業進度，操縱"信集閉"自動控制系統，協調電力機車的運行軌跡及可啟動時間，對井下道岔和信號燈進行自動控制，由地面操作員依據自身的機車位置及“信集閉”系統發出的信號，遠程遙控機車至指定的裝礦溜井[4]。

3.4 通信單元

基于TCP/IP 協議，以工業Ethernet 為骨干，采用Wi-Fi 技術，在礦井下設置幾個Wi-Fi 基站，構成了1 個由主干和1 個無線基站組成的棒狀網絡，對整個礦井進行無線信號覆蓋，并在電機車上安裝Wi-Fi 通信終端，在控制室內實現遠程遙測。通信系統采用一體化的網絡設備，如工業交換機、無線基站、車載終端、電源設備、網絡管理軟件等。整個通信系統分為兩大部分：①管理部分，通過監視器，實現通信過程的實時監測與管理，包括主機、網絡管理軟件、供電設備等，軟件具有網絡配置、監控、通信故障診斷、定位和報警功能，以滿足網絡管理的特定需求[5]；②資料傳送部分，數據傳送系統包括工業以太環網、現場電源、無線通信基站、車載數據終端等。無線基站通過有線接入工業以太網，并可以根據礦井的布置和礦井的位置，靈活地選擇網絡，達到對礦井主巷的Wi-Fi 覆蓋。井下裝置采用開關接口接入以太網，通過在井下安裝現場操作臺，實現了對井下設備和網絡的實時控制和配置查詢。該系統分為上下兩部分，地面控制室配備了網絡管理計算機，核心交換機，U1’S 供電。礦井部分按實際情況設置了幾個工業開關、無線通信基站、電源箱，每臺電源箱為1臺基站供電。該系統采用了方位天線和全向天線的組合，在直向基站中，利用2 個倒置的定向天線，向前、后2 個方位接收和接收無線電信號，在實際構建中，根據網絡的強度，調整節點的位置、天線類型、方向和數目，以達到覆蓋整個網絡的目的。

3.5 裝礦單元

電力機車按照指示開往指定的采場，由主控室的操作員在電腦的操作下，選定所要控制的滑井裝礦設備（這是唯一的選項，也就是每個滑井的2 臺振動采礦機都可以由1 個操作臺來選擇），這時，控制工作臺的操作與被控制裝置建立了聯系，它發出的命令僅對選定的受控目標進行控制。采用-180 m 水平1#變電站的PLC 自動控制系統，在每1 條線路上安裝了自動控制子站，并與各溜井的振動放礦機進行了連接與控制，并對13 臺振動放礦機進行了自動控制。對13 臺振動放礦機，26 臺電機進行了電氣改造，實現了遠距離自動控制，利用PLC 實現了對采煤機的數據采集，并利用已有的自動化光纜與主控室進行雙向通信，在地面操作臺上選定了溜井放礦機，并與所選放礦機建立了聯系，從而實現了主控室對選定放礦機的控制。在確定了溜井放礦機之后，要按照選定的溜井編號，切換控制臺的監控屏幕，將13 個溜井的放礦機安裝在一起，并與主控室的裝礦控制臺相連。主控室操作員通過監控視頻，在控制臺上安裝了一個控制手柄，實現了對采礦機振動放礦和電機車的遙控定位，在溜井施工現場設置參考標志，方便地面上的視頻觀測，以確保在裝礦時能裝滿，不出現超高漏礦等。每一溜井振動放礦機均設有A、B 兩臺電機，采用控制選項，可使2 臺電機或1 臺單機同時工作，設置礦石停止控制鍵以避免錯誤操作，放礦作業中的突發事件處置：將放礦機的主電源控制與自動控制系統相連接，以保證處理突發事故。如果放礦機系統發生故障，不能停止放礦機的放礦，則可由操作平臺的控制開關關閉主電源，確保放礦機的安全。當主控臺和井下自動控制系統發生通信故障時，該放礦機的主電源會立刻切斷，以確保安全，鑰匙開關帶鎖，以避免非操作者的誤操作[6]。

3.6 卸礦單元

當遠程裝卸作業結束后，地面遙控操作員將命令發送到破碎作業調度，調度會根據作業安排，有選擇地將物料送到卸料場，而碎料調度則利用“信集閉”的綜合協調與指揮功能，對電力機車的行駛路線和啟動時間進行控制，并將命令從裝料站開到卸貨站。機車遙控員按照系統的指示，操縱電力機車進入卸料站，利用控制車速，確保機車平穩地通過彎軌卸料設備，實現了自動卸料和卸料自動化清理。

4 結語

通過在主控制室進行遠程控制，對電力機車的各種運行命令進行實時監控，并對發生的故障進行判別，進行聲響、光電告警，完善自動運行保護，實現以區間標定速度，遙控電力機車從卸載點至裝載點往返的全過程操作，通過遙控采礦放礦機，以標稱裝載能力為基礎，實現遠程遙控采礦作業，使井下礦工、機車司機等人員的作業從井底向地面轉移，簡化作業，提高了作業質量。