礦井軌道運輸智能監控系統的設計及應用

郝 珉

（汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300）

引言

軌道運輸在我國各大礦區應用廣泛，是井下運輸矸石、物料的主要運輸方式。尤其是對于一些服務年限較長的礦井，受限于巷道空間等因素，井下軌道布置錯綜復雜，加之繁重的運輸任務，如果缺乏可靠調度及有效監控，容易造成運輸機車頂頭、撞車、追尾、出軌、翻車等不同嚴重程度的事故，對礦井安全高效運輸造成較大隱患[1-4]。因此，有必要對礦井的軌道運輸工作展開優化研究。

1 工程概況及研究背景

實踐礦井井深為400 m，現生產水平為-375 m，煤炭運輸系統采用皮帶輸送機，物料輔運系統采用軌道機車運輸，負責將采掘工作面的煤炭和矸石等運出，并將井下的物料運至采掘地點。隨著采掘工作的不斷深入，井下軌道鋪設越來越遠，軌道交叉工作情況越來越多，軌道機車的運輸任務也越來越繁重，目前-375 m 水平共有11 輛架線電機車進行軌道運輸，機車的合理調度及安全運行難度越來越大。礦井運輸系統原有一套監控系統，亟需進行改進。

1）運輸機車無法準確定位。原監控系統技術老舊，長時間井下潮濕環境影響，傳感器精度降低，導致運輸機車定位出現偏差或者無法定位到，給運輸調度工作造成不利影響。

2）運輸機車工況無法實時監控。由于井下運輸機車數量較多，且一半以上的機車使用年限已超過5 年，造成機車故障率較高，礦井還未實現對機車工況的實時監控，在機車養護、故障處置方面還需進行改善。

3）未實現智能化、可視化等監控功能。機車目前缺乏高效調度，工作效率較低，且未實現遠程自動調度、可視化監控顯示功能，無法掌握機車的實時運行狀態，對于合理安排工作線路、調度車輛位置、進行道岔切換等缺乏有效指導。

2 智能監控系統總體方案設計

2.1 智能監控系統架構設計

智能監控系統遵循地面監控層、PLC 控制層、井下設備層的三層結構設計，如圖1 所示。地面監控層設置在調度室，主要由監控計算機、數據服務器、打印機等組成；PLC 控制層主要由一個控制主站和相關控制分站組成，是整個系統的核心，負責信息指令的上傳下達，其功能設計及工作效率直接決定整個系統的功能實現；井下設備層通過供電電路及以太網絡接入PLC 控制層，主要包括現場的電動轉轍機、道岔指示器、軌道計軸器、信號機、語音箱、觸摸屏、視頻監控系統等組成[5-6]。

PLC 控制系統的功能設計至關重要，根據該礦具體情況和系統改造要求，要求實現的基本功能有：準確定位系統內機車的實時位置、行進方向和行進速度，并在地面監控計算機運行圖中進行動態顯示；智能控制或者根據地面調度室指令，對電動轉轍機、道岔指示器、信號機、語音箱等進行控制，根據要求下達道岔切換指令等；完成供電網絡及通訊網絡的設計布置，保證數據信息的實施傳輸。

2.2 監控系統網絡構建及軟件設計

在整個監控系統中，由于要實現信息實時上傳、視頻監控、采集信息、指令收發等功能，三層模塊之間需要較高的數據傳輸速率。設計應用西門子S7-1200 型PLC 的以太網絡接口，基于交換機作用，將信號進行轉換及傳輸，構建起供系統應用的內部工業以太網絡，并搭建起機車設備實時顯示網絡結構。為便于設備耦合對接以及支持S7-1200 型PLC 的編程組態，使用西門子STEP7-V13 編程軟件進行本系統軟件開發，即WINCC 計算機智能監控軟件，主要分系統管理、數據管理、監控界面三大模塊，如圖2 所示，可實現用戶管理、故障記錄、運行記錄、報表打印、監控操作等功能。WINCC 與PLC 控制主站在內部工業以太網絡中，通過IP 地址配置進行通訊連接，實現軟硬件系統關聯。

圖2 控制系統工作流程示意圖

3 應用情況分析

根據設計的總體方案、軟件程序及工作流程，研發出礦井軌道運輸智能監控系統，并在該礦實踐應用。監控系統升級使用后，符合設計預期，順利通過多項驗收，并實現了以下功能及特性：

1）運輸機車精確定位及實時顯示。在每部機車上安裝帶有其信息的識別卡，基于無線射頻技術，并與軌道計軸器共同作用，實現了運輸機車的精確定位，并將定位數據上傳，在調度室計算機實時顯示其位置以及與其他機車的位置關系，同時，基于視頻監控系統，對機車運行狀態有了更直觀的展示，便于調度操作。

2）軌道道岔遠程控制功能。道岔實現了就地控制、遙控器控制以及系統遠程控制功能，同時，道岔的切換狀態可實時上傳，并在調度室計算機以電子圖形的方式進行直觀展示；同時，道岔具備閉鎖功能，系統執行遠程調度指令時，自動將道岔進行閉鎖，防止誤操作。

3）故障分析及應急處置功能。系統對運輸機車、其他電氣設備、軌道、保護系統等進行不間斷監控，動態分析設備運行參數，一旦出現參數失常或其他異常情況，將立即采取緊急停車等應急處置措施，并發出故障警報，使系統處于安全高效的運行狀態。

4 結語

礦井軌道運輸監控系統升級運行至今，保持著穩定的狀態，對于運輸機車的動態監控、車輛調度、故障分析處置等發揮了關鍵作用，且整個系統操作便捷，維護簡單，可靠性高，對整個軌道運輸工作切實起到了優化改良作用。