副井井口自動化運輸系統(tǒng)研究

李慧

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司， 甘肅 華亭 744100)

0 引言

煤礦副井罐籠井口運輸環(huán)境較復雜，運輸系統(tǒng)主要通過人工控制，甚至采用人力推車方式，不僅耗費大量人力、物力，運輸效率低，安全性也難以保障。

華亭煤業(yè)集團有限責任公司(以下簡稱華亭煤業(yè))副井罐籠井口2臺電機車采用人工就地掛接車廂、扳道、開車等操作方式，無法進行自動及遠程控制，且無保護設施。為提高井口運輸自動化程度和安全水平，采用慣性測量、PLC、電磁鐵連接等技術，設計了一種副井井口自動化運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了軌道運輸、車廂掛接、翻車卸載的自動化控制，減少了操作人員參與度，提高了井口運輸效率和安全性，為副井井口的無人化推進奠定了基礎。

1 副井井口運輸工藝及控制目標

1.1 運輸工藝

華亭煤業(yè)副井罐籠井口運輸設備包括軌道電機車、道岔機、翻車機、礦車車廂等，如圖1所示。

圖1 副井井口運輸工藝Fig.1 Transport techniology in auxiliary shaft pithead

車廂從罐籠下罐后，由人工對運輸物料分類，根據物料不同設置電機車運行路線。當運輸物料為礦石時，由1號電機車在a點掛接車廂，沿軌道運行至2號道岔機處換道岔，運行至b點與車廂脫鉤，由2號翻車機對車廂完成翻車操作。之后1號電機車掛接空車廂并經3號道岔機處換道岔運行至c點脫鉤，返回起點a。2號電機車由e點出發(fā)，經4號道岔機處運行至c點掛接車廂，將其推拉至d點脫鉤，之后回到e點。

當車廂運輸物料為廢石時，由1號電機車在a點掛接車廂，經1號道岔機處運行至f點脫鉤，由1號翻車機對車廂完成翻車操作。之后1號電機車運空車廂至c點脫鉤，返回起點a。2號電機車運行至c點掛接車廂，推拉至d點脫鉤，之后回到e點。

1.2 控制目標

副井井口自動化運輸系統(tǒng)設計目標是實現(xiàn)電機車無人駕駛、車廂自動掛接及脫鉤、自動卸礦、行人避讓、保護、監(jiān)控等功能[1]，保障設備及行人安全，提高運輸效率。

電機車控制：具有無線信號收發(fā)功能，可無線傳輸電機車電流、電壓、速度等數據，接收道岔動作、路線選擇、剎車、加減速等信號；剎車系統(tǒng)改造為自動氣動式或液壓式，提高剎車性能；具有前方障礙物檢測功能，遇行人、障礙物時可鳴笛報警或停車；具有定位功能。

運輸路線控制：根據電機車設定的運行路線，可對沿途道岔自動扳道；可自動設定電機車行駛路線；電機車到達岔口時有紅綠燈指示；電機車到達彎道、岔口等特殊地點時可鳴笛報警、減速；電機車可根據不同路線自動調整速度；有信集閉功能。

電機車與車廂脫掛鉤控制：電機車可自動定點與車廂脫掛鉤；具有車廂精確定位功能(定位精度小于10 cm)，避免車廂脫掛鉤不到位，導致翻車機卸物料時發(fā)生事故。

道岔機控制：根據運輸物料自動完成扳道控制；實時監(jiān)測和上傳道岔機狀態(tài)信息。

翻車機控制：具有翻車機速度及位置控制功能；可根據控制信號自動翻轉；在上下車前，翻車機軌道與地面軌道自動對平。

安全監(jiān)視：可對重點位置(連接點、斷接點、道岔等)進行檢測與監(jiān)控，保障電機車安全運行；可實現(xiàn)運輸系統(tǒng)相關參數的實時顯示。

2 系統(tǒng)組成

副井井口自動化運輸系統(tǒng)主要由集控中心、工藝控制中心、傳輸網絡、遠程控制分站(包括道岔機控制分站、翻車機控制分站)、移動控制分站等組成，如圖2所示。集控中心是系統(tǒng)的控制核心，其設置服務器、工程師站和操作員站，可監(jiān)測運輸設備運行狀況，發(fā)送控制指令。工藝控制中心采用貝加萊X20型PLC[2]，完成井口運輸工藝控制。傳輸網絡基于礦區(qū)環(huán)網建立井口運輸環(huán)網，將無線基站、遠程IO(連接遠程控制分站)等接入環(huán)網，完成集控中心與控制分站的數據傳輸。移動控制分站采用X20型PLC，安裝在每臺電機車上，可實現(xiàn)遠程和就地控制電機車。電機車上安裝無線網橋，可與無線基站通信。

圖2 副井井口自動化運輸系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of automatic transport system in auxiliary shaft pithead

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 電機車定位

副井井口自動化運輸系統(tǒng)采用慣性測量與RFID(Radio Frequercy Identification,射頻識別)信標相結合的方式實現(xiàn)電機車定位[3-5]，避免了傳統(tǒng)位置編碼器定位方式的安裝問題及電機車打滑引起的定位誤差。

采用高精度慣性測量單元PA-IMU-300，通過RS422接口接入移動控制分站。PA-IMU-300使用簡便，無需特別配置附加功能，上電后2 s左右即可通過RS422接口向移動控制分站發(fā)送加速度、方位角等數據。移動控制分站根據PA-IMU-300測量的加速度和方位角，采用EKF(Extended Kalman Filter，擴展卡爾曼濾波)算法計算出電機車運行距離和方向，并結合軌道近似曲線方程計算電機車在運輸軌道上的具體位置。

設置PA-IMU-300采樣頻率為100 Hz，電機車初始位移s0=0、初速度v0=0、初始加速度a0=0。根據牛頓運動定律，求解電機車在第n個采樣點處的運動速度vn和位移sn：

(1)

(2)

式中：f為采樣頻率；an為第n個采樣點處的電機車加速度。

將電機車運行軌道分為若干段，將每段近似為直線或曲線，得到對應的直線方程(式(3))和曲線方程(式(4))。

(3)

(4)

式中：(Xn,Yn)為電機車在第n個采樣點處的坐標；θ為直線的傾斜角，θ=arctank，k為直線斜率，可實際測量得到；R為曲線(近似圓)半徑，可現(xiàn)場測量得到；ω為電機車轉過的角度，ω=(sn-s0)/(2πR×360)。

根據式(3)、式(4)可得電機車位置(Xn,Yn)。另外，在運輸軌道道岔上方安裝RFID信標，在電機車上安裝射頻讀卡器，實時讀取信標位置。當電機車通過RFID信標時進行位置校正，實現(xiàn)位置同步，進一步優(yōu)化電機車定位。電機車位置可實時顯示在集控中心上位機監(jiān)控界面。

3.2 電機車自動掛接車廂

3.2.1 車廂掛接方式

根據副井井口運輸工藝，罐籠每次上提2節(jié)車廂到井口，電機車需在指定位置完成對車廂的自動掛接、脫鉤和運輸。

電機車與車廂掛接采用電磁鐵連接方式[6]。在電機車車頭一側安裝盤型電磁鐵，車廂側安裝觸吸板，通過電磁鐵粘連觸吸板實現(xiàn)連接，如圖3所示。

1-觸吸板；2-碰撞開關；3-彈簧；4-支撐板；5-伸縮螺桿；6-電磁鐵；7-磁鐵體。圖3 電機車與車廂掛接示意Fig.3 Coupling between electric locomotive and carriage

當電機車接收到掛接車廂指令后，系統(tǒng)控制電機車前進。當電機車接近車廂時，碰撞開關被觸動，觸動信號發(fā)送給移動控制分站，控制輸出電磁鐵帶電。電機車繼續(xù)進車時，電磁鐵與車廂觸吸板緊密相吸，實現(xiàn)電機車與車廂連接。

彈簧在電磁鐵與車廂觸碰過程中起緩沖作用。當電磁鐵與車廂觸吸板繼續(xù)擠壓時，電磁鐵背板與支撐板接觸，實現(xiàn)推車。

電機車拉車廂時，電機車向前，電磁鐵緊密吸附車廂觸吸板(碰撞開關保持實時檢測狀態(tài))，伸縮螺桿受力連接磁鐵體與支撐板，拉動車廂前進。

3.2.2 電磁鐵選型

電磁鐵選用吸盤式，其在通電狀態(tài)下產生強勁吸附力，可對被吸附物體起連接或移動作用，廣泛用于自動化生產線上的分揀機器、機械手等進行材料或產品輸送，使用方便、可靠，且可實現(xiàn)遠程操作。

根據系統(tǒng)設計要求，電機車需1次推拉2節(jié)車廂。2節(jié)車廂載重后總質量約為4 t，在軌道上拖動需1.2 kN左右的力。電機車可提供DC24 V電源。因此，選用某廠家D200/63型電磁鐵，其直徑為25 cm，最大保持拉力為2 kN，電壓為DC24 V，功率為80 W，滿足系統(tǒng)要求。

3.3 自動扳道

電機車進入自動扳道區(qū)域后，系統(tǒng)檢測道岔位置，若電機車需要變軌道運行，則通過該位置的道岔機控制分站將道岔狀態(tài)發(fā)送給工藝控制中心。工藝控制中心判斷是否滿足扳道條件，若是則發(fā)出扳道指令，控制道岔機扳道，否則令電機車進入等候區(qū)，待滿足扳道條件后扳道。

根據運輸物料不同，1—4號道岔機對相應道岔扳道。道岔機上安裝扳道檢測開關，實時檢測扳道是否到位[7]，并對電機車運行進行閉鎖[8]，保證其安全性。電機車運行狀況及道岔狀態(tài)均可通過傳輸網絡發(fā)送至集控中心和調度室，供操作人員查看。

3.4 自動翻車

系統(tǒng)采用轉筒翻車機，其由變頻器驅動，翻轉角度通過絕對值編碼器實時檢測[9]。翻車機翻車速度、保護及到位狀態(tài)由翻車機控制分站(PLC)檢測和控制，如圖4所示。當電機車到達翻車機處準備卸物料時，PLC發(fā)出允許卸載信號，電機車推動車廂進入翻車機軌道，翻車機檢測到車廂到位后，向電機車發(fā)送到位信號，電機車停止運行并自動與車廂脫鉤。之后電機車向翻車機發(fā)送卸載信號，翻車機執(zhí)行卸載程序，之后自動對平位置，并將完成卸載信號發(fā)送給電機車。電機車自動掛接車廂后將車廂拖出。

圖4 翻車機控制示意Fig.4 Tipper control

翻車時，PLC實時檢測絕對值編碼器輸出值。該值在單位時間內的變化率隨給定翻車速度而線性變化，因此通過該值可獲取翻車速度。當變頻器失速或發(fā)生斷軸、連接軸脫離等情況時，編碼器輸出值不等于變頻器輸出值，如果軸完全斷開，則編碼器輸出值變化率為0。此時將啟動PLC保護程序[10]，關斷電動機抱閘，停止變頻器輸出，使翻車機緊急制動。

4 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)在華亭煤業(yè)投運以來，運行良好，減少了人員投入，提高了副井井口運輸效率和安全性。系統(tǒng)運行數據可實時傳送至井口調度室和集控中心，供遠程監(jiān)控人員查看，提高了井口運輸調度能力和效率。電機車運行監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 電機車運行監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface of electric locomotive runnning

5 結語

副井井口自動化運輸系統(tǒng)綜合運用慣性測量、RFID信標定位、電磁鐵連接、無線通信、PLC等技術，實現(xiàn)了副井井口運輸系統(tǒng)的自動化控制，提高了運輸效率，減少了人工投入，實現(xiàn)了老礦區(qū)人力資源型向經濟技術型轉變，對實現(xiàn)無人化礦山具有現(xiàn)實意義。