基于智能終端的安全高效牽引軌道式設備列車及在線防跑車系統

劉艷東

（國家能源集團神東煤炭集團錦界煤礦管理處，陜西 神木 719300）

作為國家基礎性的化石能源，煤炭一直以來都扮演著舉足輕重的角色。井工煤礦綜采工作面在回采過程中依然受地質構造的影響，兩順槽有明顯地起伏和變坡，尤其是布置設備列車的巷道，在回采過程中需要不斷頻繁移動設備列車。以往拉設備列車操作方式是由一名絞車司機在大絞車旁使用三聯按鈕操作，實現絞車前進、后退、快速、慢速，皮帶沿線站人，通過頭燈晃擺來傳遞信號，以此來保證作業的安全。在設備車運行過程中，絞車司機受巷道照明、距離、起伏等條件的限制，發現問題往往靠燈光信號一個一個接力傳遞給絞車司機，來達到信息傳遞，效率低下，且安全沒有保障。

目前國內煤礦綜采工作面采用以往牽引設備列車的方式，在傳遞信號的過程中，往往會出現信號不及時、或者誤傳遞信號的現象，不能實時掌握設備列車的運行情況，這樣在拉設備的過程中存在極大的安全隱患。為了保證設備列車正常運行，往往要派專人對設備列車進行實時跟車，這樣就造成一定的安全隱患，設備列車運行中如果脫軌、翻車、跑車、斷繩，將會對跟車人員及巷道內的人員產生極其不利的后果。如聯系不及時，絞車不能及時停止，或在巷道有坡度的情況下在拉動設備時，因為列車重力增加極易導致列車在拉動行進過程中造成向前或向后跑車、或損壞列車上的設備或拽松設備電纜插頭，其維修時間長、成本高，而且影響生產。同時，在移動列車周圍作業，還存在嚴重的安全隱患，比如：人員登高作業有跌落的風險；人員輔助拉移列車有被列車擠傷的風險；人員有多人作業配合不當，信號傳遞不及時、不暢通，或傳遞錯誤導致人員受傷等。

為了實現煤礦綜采工作面設備列車的牽引即拉即停，沿線任何人員隨時發現問題能即刻停止絞車的牽引，通過集思廣益研究出智能終端安全高效牽引軌道式設備列車。同時還設計研究了列車防跑車系統，使列車在跑車起步時就能有效地進行防跑，防止發生跑車事故。

1 智能終端安全高效牽引軌道式設備列車的研究

隨著煤礦開采技術的數字化、信息化、自動化和智能化，全國先進的煤礦井下已經實現了4G網絡，防爆智能終端已全員投入使用中。人們開始研究怎么利用先進的智能終端技術來對設備進行檢修，實現在線監測或數據上傳。使用電子設備來取代紙質檢修工單或實現視頻記錄檢修質量及內容，做到檢修的可視化、可控化、記錄可實時查詢功能。最終，經過多方人員的共同努力，研究了一種利用井下防爆智能終端來控制牽引絞車，以此來實現綜采工作面的軌道設備列車的遷移，很好地解決了由于巷道起伏、燈光信號不清晰、傳遞信號不暢等因素帶來的一系列問題。

由于煤礦技術的發展，為了更好地全面實現采煤的信息化、自動化、智能化，設備列車上的設備越來越多，一個綜采工作面的設備列車有時長達200 m，為了能實現列車的安全高效牽引，設計人員編制了控制絞車牽停的APP程序。在牽引絞車、設備列車段及單軌吊順槽設置了6臺無線基站（絞車處1臺，列車頭部1臺，中部2臺，列車尾部1臺，自移機尾1臺），每臺基站的輻射范圍為60 m。同時設備列車段配5臺防爆蓄電池（列車頭部1臺，中部2臺，列車尾部1臺，自移機尾1臺，絞車處的基站電源使用開關電源輸出127 V）給無線基站提供電源。為了安全高效地牽引或停止絞車，牽引列車時配備8臺防爆智能終端分別由7個人持有（大絞車處1臺，絞車與列車間1臺，列車頭1臺，中部2臺，列車尾部1臺，單軌吊電纜中間1臺，自移機尾1臺）。如圖1所示。這套利用智能終端來自動控制設備列車的牽引系統的成功試驗，成功地實現了絞車的自動控制，解決了牽引設備列車時人員信號傳遞不暢或信號傳遞錯誤導致的誤動作最終導致設備損壞甚至嚴重的造成人員傷亡的問題。這套智能終端的投入使用，使設備列車的牽引變得非常輕松、可靠、簡單、高效。使井工煤礦在設備列車牽引技術方面成功邁出了一大步。這套系統的研究及成功，使牽引設備列車從源頭上做到了本質安全。基層使用該系統的一線員工表示，系統非常好，智能終端的操作既簡單又可視化，既高效又靈敏；得到了基層區隊長及礦領導的高度贊揚和大力支持。全國井工煤礦對設備列車的牽引控制均可以使用它，該系統具有很好的普及和推廣的意義。

圖1 軌道式設備列車智能終端

2 設備列車在線防跑車系統的研究

當今的煤炭生產自動化水平不斷提高的同時，開采煤礦時的輔助運輸系統上的安全也越來越得到人們的重視。煤礦生產有著它自身的獨特之處，尤其是井下極為復雜的地質條件，給安全生產帶來了很多的不利，由此導致了事故的發生，所以這就對設備列車防跑車的安全問題提出了很高的要求，必須做到安全高效牽引至合適的位置，列車的防跑系統一定要做成在線能實時監測，實時能實現傳感、防跑阻尼。

利用智能終端控制設備列車的高效安全牽引已經實現的同時，為了解決設備列車存在跑車的這個高風險問題，排除牽引列車的安全隱患，使綜采設備列車能安全高效地牽引至合適的位置，技術人員又研究了一套設備列車實時在線防跑車系統。

（1）后退式防跑車裝置：設備列車連接板之間加防后退式阻尼槽鋼扒手，這種槽鋼扒手在設備列車段安裝6組。當設備列車向前牽引時若突然發生后退或溜車時，本裝置支撐件著地端就會觸碰到軌道枕鐵上，其反向阻力就會相應增大阻止列車后移，這樣就實現了設備列車牽引時防止后退溜車造成設備或人員受傷的高風險。

（2）前進式防跑車裝置：在設備列車頭部、中部（2臺）、尾部安裝無線分站和防爆蓄電池板車的連接板處，安裝電磁吸盤、速度傳感器、信號轉換器、特制的阻尼伸縮油缸、液壓單向鎖、油缸可調定的安全閥，手柄操縱閥等。

2.1 設備列車前進式防跑阻尼裝置原理

速度傳感器≥1.5 m/s時（列車上安裝的速度傳感器相對列車固定軌道的速度），智能終端APP程序自動實現實時停止絞車牽引，同時列車4組速度感應裝置同步動作，信號轉換器接收到斷電信號，電磁吸盤即刻斷電，電磁吸盤斷電失去吸力，釋放可伸縮阻尼油缸，阻尼油缸一頭落地，此時油缸活塞桿頭頂住軌道枕鐵，開始阻尼跑起來的列車，直至列車停止；當油缸內腔壓力過大，達到安全閥開啟壓力時，安全閥開啟，保護油缸。當列車停車后，給系統送電，開啟乳化液泵，操作油缸手柄操作閥，完全收回阻尼油缸活塞桿，完全釋放板車與軌道枕鐵之間的相對壓力，再次伸出油缸活塞桿，電磁吸盤吸住油缸活塞桿，做好下一次阻尼動作。這套設備列車前進式防跑車阻尼裝置的設計，從源頭上、本質安全上實現了自動化控制，實現了實時在線監測防跑車控制，杜絕了設備列車跑車可能造成的設備損壞或人員傷亡，如圖2所示。

圖2 防跑阻尼裝置圖

在日常設備列車靜止的時間段，可斷開電磁吸盤的電源，釋放油缸活塞桿，實現列車靜止狀態下的前進式阻車的效果。這套設備列車前進式防跑車阻尼裝置與后退式防跑車裝置聯合作用，共同實現了對靜止狀態下設備列車的阻車效果。這樣就取代了目前大多數煤礦使用的板車輪轂前后安裝的簡易阻車器。這種聯合阻車裝置形成的系統取代傳統阻車器，保證設備列車不跑車且安全高效的運行，做到了本質安全，提高了工作效率，降低了勞動強度。

2.2 硬件電路的設計

2.2.1 信號檢測模塊

本課題設計的信號檢測采用兩個位置傳感器取監測設備電機同軸金屬轉盤上的金屬節點，而后把金屬節點的檢出個數信息反饋至主控制芯片內，主控制芯片負責執行后續操作過程。為了增強本文防跑車系統的適用性，不建議應用常規的地面設備，所以選用歐姆龍廠家制造的本安型位置傳感器，其也被叫做接近開關。該傳感器的檢測距離是14 mm，誤差是10%，檢測物體以磁性金屬為主，設定距離0～11.2 mm，鐵30 mm*30 mm*1 mm是標準檢測物體。在選用接近開關環節中，一定要注意到如下這個問題：本課題設計應用的接近開關型號為NPN型。主要原因是當由信號被觸發時，信號線的輸出OUT與地GND安全連接，在這樣的工況下等同于輸出線OUT是低電平，信號傳輸反復需要進到單片機的中斷接口，而單片機的中斷接口自身為低電平有效，所以系統設計時應用的是NPN型接近開關。

2.2.2 顯示模塊

本次課題設計中，針對由傳感器傳送而來的信號，一定要將其直觀地呈現出來，工作人員在早期一定要設定幾個數值，這幾個值額度作用主要是和傳感器傳送過來的信號做對比分析，進而調控系統后續動作執行情況，并且也要求直觀的呈現出這幾個值。考慮到經濟性原則及系統應用環境的特殊性，通常選擇四位數碼管。

（1）參照既往大量實際案例后決定選用74HC238芯片，選擇其的原因主要有兩點，一是提升防抱死系統在特殊工況下的耐用性，并配置應用三極管以給數碼管位選端提供充足的電流，確保系統能長時間運行。三極管自身的另一端要有高電平方能正常導通，所以設計中采用了譯碼芯片。二是通過使用74HC238芯片，可以利用其順利的連接后8位的位選，且該芯片的輸出恰好為8位，而輸入只有3位，有助于節省資源。

（2）顯示模塊硬件電路。本課題設計中，需要將兩個數碼管的8位位選銜接至74HC238的8位輸出端，實質上就是Y0-Y7。A0，A1，A2依次和單片機的P2.0，P2.1，P2.2連接，會在外部呈現出僅有8個段選引腳。這8個段選端依次和單片機的P0.0-P0.7連接，中間添加了220Ω的上拉電阻，以防因局部電流過大而燒損數碼管，如圖3所示。

圖3 顯示模塊的硬件電路

2.2.3 電源模塊

本系統共設計了DC12V和DC5V電源。DC12V為接近開關供電。因為系統設計時配置了單片機及很多邏輯芯片，故需要DC5V進行供電。本課題設計應用了外部開關電源供電，分析為實現PCB板的整體性與安裝過程的便捷性，盡量在一塊PCB板上集成所有部件，而整個系統正常運行過程中需要兩種不同電源的支持，故而應用7805穩壓芯片把DC12V電壓轉變成DC5V，借此方式為PCB板提供DC5V電源，DC12V電源是外部開關供給的。

2.2.4 控制模塊

在本文設計內，當檢出接近開關傳送的信號時，主控芯片便會智能對比信號與前期存儲于芯片中的數據，以此為據確定后續是否操作繼電器的動作過程，如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

2.2.5 調節模塊

在防抱死系統運行的早期，相關人員需要設定幾個固定值去和傳感器傳送的信號進行比較分析。但是以上這幾設定值并不是設定后就不允許做改動的。因為系統運作環境的不確定性造成一次試驗結束后不一定就能得到確定的結果，故而需要結合現場實際情況有針對性的調控設定值。在設計系統單片單片機時，最常用的調節設備就是鍵盤，其有造價成本低，功能實現快捷、精準等優勢。本系統設計時共計用到了4個獨立按鍵，三個非自鎖式，另一個自鎖式。以上兩種不同形式的差異可以作出如下闡述：非自鎖式僅是于按下的一剎那導通，松開后自動斷開；而自鎖式按下以后會始終導通，再次按下才方能轉變成斷開狀態。設計此系統時，非自鎖式用在調節設定值大小與切調不同設定值的環節中，自鎖式則被用在進入調節模式方面。

2.2.6 主控芯片的最小系統

（1）振蕩器：振蕩器為單片機系統正常運作的必需條件之一，若其工作狀態異常，那么防抱死系統就不能按照設計模式運作。運行不規則是振蕩器的常見異常，此時系統容易出現時間上誤差或更為嚴重的時間混亂，影響電路的通信過程。本文設計采用的振蕩器是由晶體振蕩器于兩個瓷片電容（C1，C2）構成的，C1，C2分別接單片機的XTAL1，XTAL2引腳，在電路系統內晶振和瓷片電容均沒有正負極之分。

（2）復位電路：單片機正常運作時，能夠給復位引腳發送一個連續性的低電平信號，此時系統就會復位，在這樣的工況下不管系統運行到任何程度，均會重新開始啟動。上電復位是常見的復位形式，在系統剛一通電時，因為兩個瓷片電容間存在著電荷震蕩，這樣給系統一個時間很短的低電平。

3 結束語

在當今科技高速發展的大背景下，煤礦井下的機械化水平也在逐步提高，煤礦井下輔助運輸的安全要求越來越嚴格。煤礦井下綜采工作面的列車遷移及防跑車控制方面的要求也越來越高。但在設備列車的牽引控制及防跑車措施及控制方面做的工作還遠遠不到位，不能從本質安全上來實現設備列車牽引的絕對安全。列車溜車、跑車、掉道事故還是頻發，列車發生的小事故是對設備或運輸皮帶造成了毀壞，嚴重事故就會造成人員的傷亡。煤礦井下綜采工作面龐大的設備列車牽引，長期受巷道的起伏和變坡因素影響，還列車過長、傳遞信號不暢等因素的制約，使設備列車牽引的安全隱患一直長期存在且風險非常大。但通過利用智能終端APP控制絞車，使龐大的設備列車牽引從源頭上實現了高效安全地運行，同時還通過速度傳感器裝置實現了實時停止智能終端絞車APP系統。與此同時，通過速度傳感器裝置還實現了設備列車前進式在線防跑車和后退式防跑車系統的設計。最后，該防跑車系統取代了列車靜止狀態下使用的阻車器。

基于智能終端安全高效牽引軌道式設備列車及設備列車在線防跑車系統的研究，完全符合當前形勢下創新創效的大背景，完全跟上了煤礦機械化、自動化、智能化的發展節奏，對今后井工煤礦軌道式設備列車的發展起到了積極的作用，具有極大的推廣和應用意義。