礦井軌道運輸監控和調度智能化控制系統設計 *

吳 波

(臨汾市煤炭設計院有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

當前國內絕大部分煤礦開采得到的煤礦物料需要通過運輸裝備將其輸送到指定的地點，其中軌道運輸是礦井中使用頻率較高的運輸設施[1]。隨著我國對能源需求的不斷提升，每年開采的煤炭資源數量越來越多，這對煤礦開采效率及輸送效率提出了更高的要求[2]。在日益繁重的運輸任務條件下，軌道運輸更加容易出現追尾、撞車等安全事故，輕則影響煤礦企業的經濟效益，重則會威脅到設備及人員人身安全[4]。所以，工作人員充分掌握礦井軌道運輸系統的運行狀態，應用先進的礦井軌道運輸系統設計監控和調度智能化控制系統，對井下各軌道運輸車輛進行科學合理的調度，是確保軌道運輸安全的重要措施[5-6]。

1 軌道運輸智能化控制系統整體方案設計

1.1 方案設計

通過前期調研發現很多礦井中建設的軌道運輸調度系統普遍存在調度效率低，甚至調度不準確等問題。為解決這方面的問題，利用當前先進的網絡技術、控制技術及自動化技術等，提出了礦井軌道運輸監控和調度智能化控制系統設計方案，具體見圖1。

圖1 軌道運輸監控和調度智能化控制系統設計方案

整個控制系統可以劃分成為兩個部分，分別為井上和井下部分。其中，井下主要是個控制分站和控制主站，作用是利用網絡攝像頭和各種傳感器等對井下軌道運輸裝備的運行狀態進行實時監測。井上部分的作用是對井下軌道運輸的狀態進行監測、顯示，并對井下軌道運輸車輛進行調度，包含的設備主要有數據服務器、監控計算機及對應的監控大屏等。井上和井下部分通過環網交換機實現數據信息的交互。

1.2 控制系統工作過程

利用安裝在軌道上的計軸傳感器可以對車輛的運行狀態及具體位置等信息進行收集，采集得到的信息傳輸到井下控制分站中。另外，現場采集得到的轉轍機、信號機狀態信息也需要傳輸到控制分站中。井上調度中心下達的控制指令需要通過控制分站實現對現場車輛、轉轍機、信號機的控制。各控制分站通過以太網實現與控制主站的連接。控制主站通過環網交換機實現與井上控制和調度中心的連接。

當井上調度中心根據生產需要下達軌道運輸調度指令時，控制系統立即智能化完成道岔和信號機狀態檢測工作。若各方面條件均能達到要求，則井下控制分站可以下達指令對需要調度的軌道路線轉轍機進行控制，實現對應路段的閉鎖，同時將信號燈開放。轉轍機完成控制指令后會給控制分站返回一個信號。PLC控制器根據該信號分析道岔是否到位。如果判斷道岔正常則機車可以正常通行，如果判斷道岔沒有動作到位，那么需要對其進行檢測，確認故障問題排除后機車才可通行。

整個過程產生的數據信息全部通過工業以太網傳輸到調度監控中心顯示大屏上，并且存儲到數據服務器中以便查詢。井上調度人員需要對井下設備進行控制時，只需在調度大屏上進行操作即可。在一些關鍵路段安裝高清網絡攝像頭對現場情況進行錄像，并將采集到的視頻信息傳輸到調度中心，可以協助完成調度工作，提升調度過程的可靠性。

2 控制系統的硬件構成

設計的軌道運輸監控和調度智能化控制系統，涉及到很多的硬件設施，其整體的結構框圖如圖2所示。從圖中可以看出，PLC控制器是整個控制系統的核心部分，所有的硬件設施都需要與PLC控制器進行連接，并接受去控制。以下結合實際情況對本系統中比較重要的PLC控制器和計軸傳感器進行介紹。

圖2 軌道運輸智能化控制系統硬件設施框圖

2.1 PLC控制器

PLC控制器是整個智能化控制系統的核心，在分析智能控制系統的接口數量和性能要求的基礎上，最終選用的是西門子公司研制生產的S7-1200型PLC控制器。該控制器具有體積小、性能優越等優勢，在很多工業領域得到了廣泛應用。CPU選用的是1214CDC/DC/DC模塊，具有豐富的接口，可以和很多硬件設施進行連接實現數據信息的交互。

2.2 計軸傳感器

計軸傳感器的作用是對軌道上運行的機車位置及其信息進行檢測，并傳輸到控制系統中進行分析和處理。因此對整個智能化控系統而言是非常重要的硬件模塊，如果計軸器無法對機車信息進行準確檢測，必然會擾亂整個調度系統的正常運行，甚至會威脅到軌道運輸系統的安全。此系統中選用的是KG8007(A)型計軸傳感器，該型號傳感器專為煤礦環境設計，具有很好的防爆性能。計軸傳感器的基本工作原理如圖3所示，主要是利用機車在軌道上運行經過傳感器部位時，傳感器會產生一個脈沖信號，對該脈沖信號進行放大分析后，即可判斷機車的狀態信息。

圖3 計軸傳感器的基本工作原理框圖

3 系統的軟件程序設計

此系統的控制程序在STEP7V13軟件中編寫完成，圖4所示為智能化控制系統軟件結構框圖。由圖中可以看出，整個控制系統可以劃分的功能可以劃分為三大模塊，分別為監控和調度模塊、數據管理模塊、系統管理模塊。其中系統管理又由系統登錄和用戶管理兩部分構成，目的在于確保控制系統的安全性。利用用戶管理部分可以對所有用戶進行綜合管理，并明確不同人員的權限，且所有人員必須通過賬號和密碼登錄后才可以使用系統。數據管理模塊的作用主要是對所有的數據信息進行存儲并管理。監控和調度模塊又可以分為數據查詢部分、操作界面部分和監控部分。井上調度人員通過監控模塊可以對軌道運輸車輛進行實時監控，并根據需要對井下車輛進行控制，實現軌道運輸系統的智能化調度控制。

圖4 智能化控制系統軟件結構框圖

4 實踐應用效果分析

將設計的礦井軌道運輸監控和調度智能化控制系統應用到煤礦工程實踐中，對其運行情況進行了持續一年時間的測試，結果發現控制系統運行情況良好，整個過程中沒有出現特別大的故障問題。其實踐應用效果如下。

(1) 智能化控制系統的應用有效地解決了礦井軌道運輸中機車追尾、交通堵塞等影響安全生產和生產效率提升的問題。目前軌道運輸系統運行的秩序非常良好，軌道運輸效率得到了明顯提升，安全性也得到了很好的保障。

(2) 智能化控制系統的實踐應用，礦井軌道運輸系統可以根據實際需要實現智能化調度與控制。且所有的結果全部可在監控大屏上動態顯示。可對井下的設備和車輛進行遠程控制。顯著提升了礦井的智能化水平。在很大程度上提升了煤礦企業的市場競爭力。

5 結 語

主要以礦井軌道運輸系統為研究對象，對其監控和調度智能化控制系統進行了研究和設計，將礦井軌道運輸智能化控制系統應用到煤礦工程實踐中，顯著提升了煤礦企業的智能化水平，使得軌道運輸效率得到了顯著提升，安全性也得到了很好的保障，為煤礦企業創造了良好的經濟效益和安全效益。