某鐵礦井下電機車自動控制系統設計

陳海軍 甘敏浩 吳大川 劉進銘 朱小霖

(河鋼集團礦業公司常峪鐵礦)

隨著國內外井下礦難安全事故頻發，安全工作壓力顯著加大。在能夠完成生產任務的情況下，盡量減少下井工作人員數量，可以減少事故造成的人員傷亡。隨著科學技術的不斷發展，將先進的自動化控制技術與井下開采相結合，可以做到減員增效，有效提高礦山井下生產效率，降低人員傷亡率。

1 工程概況

某鐵礦設計年產鐵礦石550萬t，采出礦石塊度不大于850 mm，經井下破碎后礦石粒度不大于240 mm，采出礦石平均品位為26%。根據鐵礦床地形地質特征，結合礦山規模，經方案比較，設計確定一期開采范圍為-100～-400 m礦體，采用主、副豎井開拓。二期開采范圍為-400～-500 m礦體，采用主斜坡道開拓系統。鐵礦設計有主井、副井、進風井、回風井各一條，輔助斜坡道一條。

運輸系統一期采用有軌運輸，井下采出的礦石通過有軌運輸中段運至主溜井，再進入破碎系統，破碎后的礦石由主井箕斗提升至地表。井下共設置-425，-325，-225 m 3個有軌運輸中段，首采運輸中段為-425 m。

有軌運輸線路主要采用上下盤沿脈加穿脈的環形運輸線路，穿脈裝車；個別礦段采用脈外盡頭式運輸線路，沿脈裝車。

設計采用30 t電機車牽引10輛10 m3底側卸式礦車運輸礦石，設計數量為4臺，3用1備；新水平開拓及廢石采用7 t電機車牽引12輛1.2 m3曲軌側卸式礦車運輸，設計數量為3臺，2用1備。本文主要對30 t電機車無人駕駛進行設計。

2 井下無人駕駛自動控制系統

2.1 系統實施目標

礦井有軌運輸無人駕駛系統是以WiFi無線通信及工業以太網絡為傳輸平臺，軌道運輸監控系統為安全依托，采用井下機車精確定位技術、視頻圖像處理技術和礦井機車調度技術，井下電機車配有車載控制器，自主接收調度計算機分配的運輸任務，獲悉路徑、區間、信號機序列等信息，通過對路況實時分析識別視頻信號，結合機車狀態、定位信息、調度設備狀態等進行自主運行調整、進退向選擇、前方障礙識別、速度控制等，實現自動駕駛[1-5]。

在裝礦環節，采用遠程遙控裝礦控制；在架線供配電環節，可以采集牽引變電所電源工作參數，對整流柜、分區開關實施遠程測控；同時，結合礦倉料位及轉運情況，實現對電機車的自動駕駛和遠程裝礦操作控制。

2.2 系統主要功能

(1)聯鎖功能。電機車自動控制系統必須保證多輛電機車安全、合理、高效地在軌運行，要求多輛電機車之間有嚴密、合理的運行邏輯關系，多輛電機車能夠順序裝礦、順序卸礦、不堵車、不追尾、交叉點不發生碰撞等，保證運輸效率。

(2)監測功能。地表控制中心監測牽引變電所電壓、電流、開關狀態參數和變壓器溫度參數，-425 m 運輸巷道視頻，電機車運行狀態信息，模擬顯示電機車動態位置、軌線設備工作狀態。

(3)遙控駕駛。地表控制中心操作人員通過電機車操作臺對井下-425 m電機車進行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等遠程駕駛行為控制，實現電機車遠程遙控駕駛。

(4)遙控裝礦。地表控制中心操作人員通過電機車操作臺上的放礦機操作手柄控制放礦作業，結合現場裝礦視頻實現遠程精確裝礦作業。

(5)自動駕駛。電機車根據調度系統下達的生產運輸計劃，按照指定的運輸路線自動行駛，電機車自動駕駛過程中自動進行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等操作，無需人員操作。

2.3 系統工作模式

系統設置自動、遙控和手動3種運行模式。

(1)自動模式。電機車根據調度系統下達的生產運輸計劃，按照指定的運輸路線自動行駛，無需人員操作。

(2)遙控模式。操作員通過地表控制中心操作臺遠程駕駛電機車，遠程操作放礦機，完成電機車運行與裝礦控制操作。

(3)手動模式。電機車司機在駕駛室就地操作電機車，電機車工作狀態既可以上傳，又可以脫離自動控制系統，純手動現場人工駕駛。

2.4 系統工作環境

工作溫度為0～40℃；工作濕度為5%～95%，不結露；大氣壓力為60～110 kPa；抗振、防潮、防塵，抗震設防烈度為7度；滿足國家規定的塵埃、照明、噪聲、電磁場干擾和接地條件。

2.5 主要控制設備

電機車井下無人駕駛自動控制系統由一套PLC控制系統組成，硬件部分主要由主控制器、無線通訊設備和車載控制設備組成，配合合理的軟件程序實現電機車井下無人駕駛自動控制功能。

2.5.1 主控制器

主控制器采用S7-400產品，設置在地表中心控制室，負責對機車編組調度及運行線路選擇指揮，采集礦石溜井料位信號及牽引變電所設備運行參數，負責對各個放礦機的變頻控制，實現電機車在指定的車場內直線段自動加速、轉彎自動減速、卸礦限速運行、遙控裝礦控制功能。在地表中心控制室為每臺電機車設置一個操作臺，每個操作臺設置1個操作員站、2個監控顯示器和1個操作人機接口，負責單臺電機車遠程遙控和自動運行監測。

2.5.2 機載控制設備

電機車機載控制設備包括機載控制器、電機車變頻調速器、制動設備、機載無線通訊設備、受電弓控制設備和操作臺人機接口等。

(1)機載控制器采用S7-1215C產品，負責電機車啟動、運行、調速和制動等全部控制，并采集電機車所有運行信號數據。采集數據主要包括電機車運行狀態、電壓、電流、頻率、速度、制動設備狀態、通訊設備狀態等，同時輔助信號故障報警，實現電機車高質量自動駕駛，并確保電機車運行安全。

(2)電機車變頻調速器采用ACS880-01-246A-3產品，負責電機車主電機啟動、停止、加速、減速控制，配合制動設備實現電機車平穩剎車。

(3)制動設備接收機載控制器發出的剎車指令，實現電機車安全剎車。

(4)機載無線通訊設備是通過布置在巷道中的無線通訊基站實現機載控制器與主控制器實時雙向數據傳輸，接收主控制器指令，反饋電機車運行參數。

(5)操作臺人機接口可以實現電機車就地和遠程操作轉換，既可以實現就地有人駕駛電機車運行，又可以遠程遙控自動運行。操作臺面板包括電機車電源開關、放礦機電源開關、電機車急停按鈕、放礦機急停按鈕、電機車控制手柄、放礦機控制旋鈕、升降受電弓開關、電鈴按鈕、車燈開關、全半速開關等。

2.5.3 無線通信設備

在車場巷道內設置多個無線通訊基站，采用西門子SCALANCE W-788工業級產品，各個無線通訊基站與機載無線通訊設備、轉轍機系統、區分開關系統建立通訊聯系，通過光纜與主控制器進行通訊聯系，實現電機車實時數據傳輸，同時實現電機車高精度定位。

2.5.4 視頻監控設備

關鍵部位安裝視頻監控設備，便于遠程監控電機車、放礦機和卸載站設備運行狀態。監控關鍵點位有電機車機頭前方、電機車受電弓、放礦點位、卸礦點位、車場各個點位、牽引變電所。

2.5.5 裝載站控制設備

設置10個裝載站遠程IO站，輸入輸出模塊采用西門子ET200產品，置在每個溜井裝礦處，放礦機電控箱和溜井料位計接入到遠程IO站。每臺放礦機電控箱帶3擋轉換開關，設有就地、檢修和遠程3種工作方式。溜井料位計現場設有顯示界面，并負責將相關信號送至遠程IO站。

2.5.6 卸載站控制設備

設置遠程IO站，輸入輸出模塊采用西門子ET200產品，用于遠程控制安全門、助力驅動裝置、溜井料位計及噴霧降塵裝置。以上設備在礦石卸載過程中全自動聯鎖動作，也可現場手動啟停。

2.5.7 牽引變電所控制設備

在每個牽引變電所放置一個控制分站，控制器采用S7-1215C產品，用于檢測隔離開關、斷路器狀態，遠程控制斷路器分合閘操作。

2.5.8 控制軟件

以西門子PCS7 V8.2為平臺對系統軟件進行整體設計、開發及調試。

3 自動控制系統保障措施及要求

3.1 運行環境保障

(1)井下巷道環境多水，較潮濕，多粉塵，不利于電氣自動化設備正常運行。因此，有必要加強設備防護等級。井下電機車無人駕駛自動控制所需自動化設備防護等級要求不低于IP65，即要求完全防止外物及灰塵侵入。

(2)井下巷道環境溫度范圍為15～25 ℃，電氣自動化設備在0～40 ℃溫度范圍內可以正常運行，在井下正常通風情況下，環境溫度完全可以滿足自動化設備正常運行。

(3)井下巷道照明要求有軌運輸車場按照正常照明設計，光照強度不低于30 lx；放礦裝車點和卸載站照明需要加強亮度，光照強度不低于100 lx；電機車車頭配有照明燈具，光照直線距離不小于40 m，便于查看前方路況。

3.2 電機車驅動電機及調速要求

為了便于對電機車進行自動控制，要求電機車主驅動電機采用牽引變頻電機，采用變頻器調速，變頻器與電機車機載控制器通訊接口一致，便于實現電機車調速控制。

3.3 放礦機選型要求

為了實現電機車無人駕駛自動裝礦，提高裝礦效率，要求放礦機選型及布置方式與礦車匹配，保證放礦機可以一次性裝滿一輛礦車而不需要礦車前后移動，放礦機配套安裝液壓指狀閘門，便于放礦量的控制。初步設計的振動放礦機為雙臺板，臺板寬2.4 m，而一輛10 m3礦車的長度為5.5 m，有效長度為4.3～4.4 m，初步設計放礦機不能滿足一次完成裝礦要求。經過與放礦機廠家技術交流，對應10 m3礦車，將放礦機設計成三臺板，臺板寬4.2 m，放礦機長4.5 m，高4 m，處理量為2 500 t/h，可以實現一次完成一輛礦車裝礦，提高整體裝礦效率。

3.4 有軌運輸車場轉彎半徑要求

經與電機車廠家技術交流，30 t電機車空載直線段最大運行速度為25 km/h，電機車最小轉彎半徑為25 m，電機車不同的轉彎半徑通過的速度不同。綜合考慮電機車無人駕駛自動控制和有軌運輸巷道建設投資，車場轉彎半徑設計為50 m，能夠保證電機車以合理的速度通過而不掉軌，保證運輸效率。具體的不同轉彎半徑對應的車速見表1。

表1 不同轉彎半徑對應車速

3.5 電機車剎車要求

30 t電機車平均運行車速14～16 km/h，只采用機車制動剎車距離為70～80 m，電機車機車和礦車同時制動剎車距離為20 m。為了便于實現電機車無人駕駛自動控制，確保電機車在到達指定的停車點位提前做好自動減速，保證電機車安全準確停在指定停車位置，采用電機車機車和礦車同時制動剎車。

4 應用效果

初步設計電機車司機按照每列車每班2名司機，設置為4班，每班6人，共計電機車司機24人；初步設計放礦工設置為4班，每班4人，共計放礦工16人。實現井下電機車無人駕駛自動控制后，每列電機車每班設置一名遠程監控操作人員，負責監控電機車自動運行和遙控裝礦操作，可以實現電機車司機減半，并取消井下所有放礦工。經人工成本測算，每人每月按照收入8 250元計算，每年可以節約人工成本支出277.2萬元，實現減員增效。由于減少了運輸系統下井工作人員數量，從而緩解了井下安全管理壓力，減少了安全培訓管理成本，提高了安全效益。

5 結 語

通過井下電機車無人駕駛自動控制系統設計，做到了電氣自動控制技術與電機車駕駛技術很好融合，實現井下電機車自動控制及高效運行，不但可以避免人工操作失誤，提高電機車整體運行效率，而且可以減少下井工作人員數量，節約人工成本支出，緩解井下安全管理壓力。電機車自動控制系統效果和效益明顯，值得在類似井下有軌運輸系統應用推廣。

[1] 劉振全，王漢芝，楊 坤.西門子PLC編程技術及應用案例[M].北京：化學工業出版社，2016.

[2] 董 健.物聯網與短距離無線通信技術[M].2版.北京：電子工業出版社,2016.

[3] 柴遠波，趙春雨.短距離無線通信技術及應用[M]. 北京：電子工業出版社,2015.

[4] 劉少強.現代傳感器技術-面向物聯網應用[M]. 2版.北京：電子工業出版社,2016.

[5] 華 平.電力機車控制[M].北京：中國鐵道出版社，2003.