礦井斜巷運輸嵌入式隱藏擋車系統研究

陳天航

摘 要：針對煤礦井下斜巷運輸系統事故尤其是跑車事故多發現象，通過對斜巷運輸系統特點分析，應用電動、氣動驅動和計算機控制技術，研制了遠距離嵌入式隱藏防跑車系統，其在多個煤礦應用，有效防止并杜絕了斜巷跑車事故的發生，為煤礦運輸尤其是斜巷運輸安全做出了貢獻。

關鍵詞：礦井；斜巷運輸；嵌入式；擋車系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.046

1 前言

煤礦井下運輸包括，井筒提升，大巷運輸、不同水平工作面之間的斜巷運輸。在這些運輸中，軌道運輸及其安全非常重要。另外，由于煤礦井下斜巷由于空間小、工作環境惡劣等，成為煤礦井下運輸中的事故多發區域，而斜井運輸事故中最為嚴重的事故之一就是斜巷跑車事故[1]。雖然經過煤礦運輸系統廣大工程技術人員的多年不懈努力，煤礦斜巷安全防護得到了一定的改善，但仍存在著許多不安全因素[2]，因此，杜絕煤礦斜巷運輸的跑車事故，是保證煤礦斜巷軌道運輸安全生產的關鍵[3]。針對以上問題，安徽理工大學與淮北礦業集團合作，研制了遠距離嵌入式風動保險擋車系統，有效防止并杜絕了此類事故的發生，為煤礦運輸尤其是斜巷運輸安全做出了貢獻。

2 遠距離嵌入式風動保險擋車系統工作原理

嵌入式防跑車裝置根據煤礦井下斜巷現場的實際情況，在礦車軌道布設一些傳感器，一旦礦車到達相應位置，其傳感器動作，可編程控制器檢測到傳感器的信號，通過軟件對信號進行分享判斷，再根據情況決定氣控閥的開閉和保險擋的自動起落。系統結構如圖1所示。

當礦車正常下行時，當行駛至測速區速度傳感器（此速度傳感器由A、B兩個霍爾傳感器構成）區間，霍爾傳感器將速度等信號發生給可編程控制器的CPU，PLC的CPU通過檢測的速度判斷礦車的速度是否在正常范圍，若礦車的速度低于設定的閾值，可編程控制器將觸發氣控閥動作，從而使得保險擋落下并保持該狀態，若礦車的實際速度超過了設定的閾值并繼續運行，常閉擋車器就不會動作，此時將發出報警信號并反饋給絞車司機，從而預防事故的發生。此時往下運行的礦車通過位置傳感器C（一個霍爾傳感器）時，位置傳感器C的信號不產生命令。上行時，當到達位置傳感器C時，位置傳感器C檢測到礦車通過，并發出信號傳遞給可編程控制器， PLC的控制器CPU觸發電磁氣控閥動作，保險擋升起，PLC控制器觸發氣控閥動作保持保險擋常閉。

3 嵌入式隱藏擋車系統主要特點

把傳統的被動防跑和主動監控兩者有機的結合，設計一套新型煤礦斜巷防跑車系統，同時具有自動報警和自我檢測的功能。根據前面所述的斜井跑車事故原因、斜井防跑車技術應用現狀和礦區的應用現狀分析，遠距離嵌入式風動保險擋車系統應具有如下特點：

（1）采用可編程控制器（PLC）控制。采用可編程控制器控制斜巷跑車防護裝置實現礦車速度檢測、控制擋車器的動作、系統故障報警等多重保護功能，實現礦車的實時監控和防護。在礦車工作在正常運行速度下，嵌入式防跑車這種的保險擋提升、落下；當礦車的運行速度超過一定限制，也就是判斷為跑車狀態時，此時嵌入式防跑車的保險擋拒動。

（2）該嵌入式遠程防跑車的擋車裝置自動化程度高，減輕了工作人員的勞動強度，提高了運輸效率。

（3）遠距離嵌入式風動保險擋車系統還具有擋車器狀態監視、語言報警等功能。

（4）遠距離嵌入式風動保險擋車系統具有自動和手動功能，檢修方便、安全可靠。

（5）遠距離嵌入式風動保險擋車系統能夠杜絕主觀因素和客觀因素等造成的各類事故發生。

（6）整個系統簡單，制作成本低，制作和安裝工藝簡單。

4 遠距離嵌入式風動保險擋車控制系統設計

遠距離嵌入式風動保險擋車控制系統由5部分構成： 包括測速裝置、視頻監控裝置、氣動驅動裝置、隱式車擋機構和控制裝置等，如圖2所示。

4.1 霍爾傳感器測速裝置

霍爾測速傳感器一般都安裝在煤礦井下運輸軌道外側，在礦車的車廂上安裝磁性材料。當礦車通過時，磁場發生變化，從而使得霍爾速度傳感器檢測出礦車的運行速度。霍爾測速傳感器之所以在煤礦井下得到應用，是因為其具有響應速度快、調節安裝方便、分辨能力強、抗粉塵、潮濕、抗干擾能力強、適用溫度廣等優點[4]。

根據臨渙礦為非磁性礦、斜巷內在礦車運行時易起粉塵、不需全程監控等實際情況，因而選用霍爾測速傳感器。

4.2 視頻監控裝置

根據圖像處理技術、網絡技術和視頻傳輸技術發展，視頻監控系統在各行各業中得到廣泛應用。視頻監控系統作為煤礦安全生產視頻監控系統中一個關鍵部分。

在本系統中，只需要監控到礦車運行狀況。在礦區原有的視頻監控基礎上，擴展加入巷道監控模塊即可實現對礦車運行的監控。采用價格較為低廉煤礦井下防爆式攝像儀。

4.3 嵌入式擋車氣動驅動裝置

嵌入式擋車驅動裝置用來控制車擋開閉。一般有氣動式、液動式、電動式等。

嵌入式擋車氣動驅動裝置包括換向閥、空氣濾清器和氣缸及等。

氣動裝置亦具有響應快，動作靈活，不需要電機驅動等特點。氣動驅動的氣源為充足易得的礦井通用高壓氣源，清潔無污染。沖擊小。

在反復調研和比較的基礎上，采用氣動作為遠距離嵌入式風動保險擋車系統的驅動裝置。

4.4 嵌入式擋車執行機構

懸空式擋車機構其優點是其動作機構完全懸在空間，不致被煤渣堵塞失靈，動作靈敏，結構較簡單，維護方便。它的缺點是裝料過高運輸時，容易引起誤動作。另外，如一次掛車輛過多，活動桿連續被碰，逐漸增大擺幅，也會產生誤動作。

本文采用的是嵌入式擋車機構，它安裝于軌道平面下方。通過可編程控制器的CPU模塊和高速計數模塊首先檢測礦車是否在正常設定的運行速度范圍內。若礦車正常運行沒有超出設定的運行速度，可編程控制器輸出控制驅動氣控閥動作，保險擋落下，礦車正常通行。若編程控制器的CPU模塊和高速計數模塊檢測出礦車處于超速運行狀態，這時擋車裝置不會動作。

4.5 嵌入式擋車系統電氣控制核心

整個系統共分為手動、自動和測試3種工作方式，通過操作箱上相應的控制開關來進行選擇。測試方式是在系統安裝或者檢修時使用的一種工作方式，通過測試按鈕用以測試擋車機構的狀態。手動方式是通過手動按鈕來控制保險擋的回落與升起。自動工作是正常情況下使用的工作方式，分為礦車正常運行和發生跑車兩種情況。

（1）正常運行。礦車下行時，保險擋處于“常閉式”防護狀態，礦車經過速度傳感器時，速度傳感器得到的礦車的運動速度等于提升機的速度，將保險擋回落，隱藏于地下，讓礦車通行。

（2）發生跑車。當速度傳感器測得的礦車速度大于提升機的速度、傳感器或提升機故障報警時，保險擋不動作，阻擋礦車通過。

嵌入式防跑車系統的電氣原理如圖3所示。

裝置送電后，首先系統進行初始化工作，可編程控制器的CPU模塊使4個傳感器開始檢測。然后可編程控制器判斷擋車裝置是否升起到位。當礦車正常運行行駛到速度傳感器檢測區域，可編程控制器及其執行機構控制觸發氣控閥進行工作，使擋車裝置降下，礦車正常通過。若礦車速度超出事先設定的最大運行速度，也就是判斷為跑車發生，此時通過可編程控制器及其執行機構將擋車裝置保持升起的位置狀態即，從而實現對礦車進行可靠攔截，杜絕了跑車事故的發生。當礦車上行通過安裝于上部距離保險擋一輛礦車長度的位置傳感器時，位置傳感器將發出礦車已通過的信號， PLC控制升起剛經過的保險擋，這時礦車繼續上行通過速度傳感器，如果在礦車在完成此次上行運行過程中，速度傳感器再次檢測到礦車通過的信號，如果出現跑車現象，發出警報。如果由于故障使得下落保險擋或升起保險擋在規定的時間內完成規定的動作，此時可編程控制器及其輸出裝置將使提升裝置停車，從而保護了斜巷運輸系統的安全。

4.6 擋車控制系統工作過程

（1）當礦車處于礦車下行狀態：本裝置接通電源，絞車啟動。① 若礦車運行速度在正常范圍內，PLC控制箱將控制氣缸進行收起保險擋的動作；②若礦車速度達到或超過事先設定的運行最大速度，也就是判斷超出正常運行速度時，可編程控制器及其執行機構將不就行輸出，嵌入式擋車裝置保持升起的位置狀態，對認為已經超速的礦車進行可靠攔截，避免跑車事故發生。保障了斜巷運輸的安全。

（2）礦車上行：本裝置接通電源，絞車啟動，此時所有保險擋下落。上行運行過程是：① 當礦車上行通過安裝于上部距離保險擋一輛礦車長度的位置傳感器時，位置傳感器將發出礦車已通過的信號， PLC控制升起剛經過的保險擋；② 礦車上行在未經過速度傳感器時跑車，此時，剛升起的保險擋不動作；礦車上行在經過速度傳感器后跑車，這時速度傳感器測得的礦車速度與絞車信號比較大于礦車正常運行速度，此時PLC不動作，保持升起狀態，阻止礦車繼續向下運動。

（3）車運行過程中發生跑車事故，PLC根據比較速度的發出報警信號，同時礦車撞擊擋車裝置的保險擋，同時立即停止運行，工作人員按照故障復位后方可繼續進行運輸。

5 嵌入式擋車系統的軟件設計

5.1 系統操作臺介紹

操作臺面板示意圖如圖4所示。

系統開關：此開關與絞車聯動。即絞車開關打開后此系統自動打開，并默認為自動運行。

指示燈1：亮，表示系統已開啟。

自動運行按鈕：按此按鈕后擋車系統進入自動運行狀態，在此狀態下，按手動運行按鈕可切換至手動運行。

上行/下行開關：此開關與絞車上行、下行開關聯動，控制絞車與擋車控制系統完成自動運行。

指示燈2：亮，表示系統處于自動運行狀態。

手動運行按鈕：按此按鈕后擋車系統進入手動運行狀態，在此狀態下運行時，按自動運行按鈕不可切換，必須等絞車停止后才可切換。

指示燈3：亮，表示系統處于手動運行狀態。

全復位按鈕：此按鈕用于將所有保險擋復位于常閉狀態，即升起狀態。

速度顯示屏：顯示速度傳感器測得的速度。

保險擋狀態指示：燈為綠色，表示保險擋處于升起狀態，黃色表示保險擋處于收起狀態。紅色表示這個保險擋已發生故障。1、2、3…表示保險擋從上到下的序號。

保險擋控制按鈕：用于在手動控制狀態下，控制各個保險擋的升起與下落，+為升起，-為下落。與上方的保險擋狀態指示燈相對應。

視頻顯示：用于防爆攝像頭實時顯示巷道內拍攝的畫面。

喇叭與報警燈：用于在跑車時發出聲光報警。此時喇叭重復發出警報聲，報警燈為紅色并閃爍。

5.2 擋車系統自動運行程序設計

擋車系統自動運行與手動運行的程序流程圖如圖5所示。

（下轉第46頁）

（上接第55頁）

在自動運行狀態下，在下行時，如果速度傳感器得到的礦車的運動速度等于提升機的速度時，將保險擋桿收起，隱藏于地下，放礦車通過。當速度傳感器測得的礦車速度大于提升機的速度、傳感器或提升機故障報警時，不產生動作，阻擋礦車通過。上行時，如果位置傳感器檢測到有礦車通過的信號，將其上方的距離最近的保險擋桿收起，隱藏于地下，放礦車通過，礦車通過位置傳感器后，保險擋及時升起。

5.3 上位人機界面監控系統設計

界面如圖6所示。

6 總結

（1）首次將風動驅動應用于防跑車系統。采用風動驅動的擋車裝置，當速度傳感器檢測到礦車速度大于提升機的速度時，風動裝置自動打開巷道風管氣閥對擋車機構的氣缸供氣，迅速將保險擋從軌道平面地下向上升起，從而實現對礦車的阻攔。

（2）隱形式的擋車設計。礦車正常運行時，擋車機構嵌入在斜巷軌道中央地下，隱藏于軌道平面之下，發生跑車時，擋車機構迅速從軌道平面地下向上升起從而可靠阻擋礦車，防止跑車事故發生。

（3）遠距離自動控制、顯示和報警。大大減少了斜巷工作人員的勞動強度。

遠距離嵌入式風動保險擋車系統控制裝置和擋車機構動作靈活，工作穩定可靠，維護方便，易于操作，監控系統可靠直觀。擋車器結構簡單，材料、配件容易購置，易于加工；可以承受較大速度的礦車撞擊；造價低廉，經濟效益明顯。整個系統維修量小，節省人力，減少了人員的管理。

參考文獻：

[1]王紅強.KJ709 型安全監測監控系統在斜巷運輸中的設計與應用[J].煤礦機電，2015（01）：10-13.

[2]陳勇，管志光，丁代存，吳承格.煤礦井下斜巷控制系統的研究[J].煤礦機械，2011（11）.

[3]蘆嶺群，趙洪濤，呂同建.煤礦斜巷運輸安全自動化控制系統[J].硅谷，2014（17）：10-11.

[4]秦其昌.礦山有軌運輸系統自動化控制與應用探討[J].礦山機械，2012（05）.