煤礦軌道運輸智能監控系統的設計及應用分析

吳旗開

（晉能控股煤業集團趙莊二號井， 山西 長治 046000）

引言

在我國大部分礦井作業過程中，軌道運輸是最為常見的輸送礦石及物料的一種方式。特別是使用時間超過額定年限的礦井，在礦井有限的空間中，巷道排布混亂，加上其中來往反復的運輸工作，假如沒有相關有效且可靠的監控手段，不僅使礦下工人的人身安全得不到保障，而且非常容易發生脫軌、機車頂頭、追尾等嚴重的礦井交通災難。所以對軌道運輸在礦井下的安全保障運行進行研究是非常有必要的。

1 礦井原軌道運輸監控系統現狀

通過對某礦井實際調查得出該礦井的深度為400 m，目前的實際作業深度為-375 m，礦井挖出的煤炭通過皮帶運輸機傳動到地面，其他物料裝備通過軌道運輸系統進行運輸，其作用是運出挖掘點的煤炭等礦料，同時將所需要的物料輸送至所需要繼續采掘的地方。在不斷進行作業的情況下，挖掘深度越來越深，所遇工況愈加復雜，且所鋪設的軌道交通愈來愈遠，工人們作業的安全風險隨之不斷上升，井下所需要的安全調控系統要求也越來越高。礦井原有的軌道運輸系統隨著作業深度的加深，急需進行改進[1-2]。

1）運輸機車無法準確定位。由于之前使用的監控技術使用年限過長，加之井下復雜的作業環境，使得運輸機車無法配合監控系統，屢屢出現定位不準等問題，給礦井采掘運輸工作造成很大麻煩。

2）運輸機車工況無法實時監控。因為目前在井下多數的運輸機車中大部分都已超過額定的使用車齡，導致機車在運輸作業過程中故障頻發，軌道運輸系統還不能完全有效地及時監控到機車突發狀況，故在這一方面還要進行很大的改進。

3）未實現智能化、可視化等監控功能。目前，在礦下機車不能有效地納到監控系統內，無法高效地智能化的進行運營，可視化監控等功能尚未實現，嚴重影響了井下工作效率，工人的人身安全也不能得到有效的保障。

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

如圖1 所示，智能監控系統依照井下設備層、地面監控層、PLC 控制層結構設計。井下設備通過電路和網絡接入PLC 控制層，其中主要有視頻監控系統、信號機、道岔指示器、電動轉轍機等組成。調度室中安放布置地面監控層，其主要設備由打印機、數據服務器等組成。PLC 控制層的主要組成部分有一個控制主站和相關控制分站，這兩部分是整個設備系統的核心，作用是傳遞信息，與整個系統功能的實現直接相關[3-4]。

圖1 智能監控系統架構設計示意圖

通過對礦井情況的實際調查，軌道運輸系統中至關重要的PLC 控制系統所要實現的基礎功能有：在機車運行時實時知道機車的位置及行進狀況，并能實現可視化監控；在礦井工作時，有時根據需求需要對語音箱、道岔指示器等進行智能控制，下達相關指令等；另一方面，需要通過PLC 控制系統完成井下供電及通訊網絡的相關布置，實現信息的及時傳輸。

2.2 監控系統網絡構建及軟件設計

在整個軌道運輸調控系統中，主要的三個部分之間通過較高的數據傳輸速率實現指令收發、信息實時上傳等功能。通過在設備上應用西門子S7-1200 型PLC 的以太網接口，在交換機的作用下，轉換傳遞信號，構建起軌道運輸系統內部的以太網絡，以便實時監控機車的運行狀況。為便于設備偶合對接以及支持S7-1200 型PLC 的編程組態，通過查找最終決定使用西門子STEP7-V13 編程軟件進行本軌道運輸系統軟件開發，即WINCC 計算機智能監控軟件，主要包括監控界面、系統管理、數據管理三大模塊，如圖2 所示，可實現監控操作、運行記錄、報表打印等功能。WINCC與PLC 控制主站在內部系統以太網中，通過IP 地址配置進行通信連接，實現軟硬件系統關聯[5-6]。

圖2 控制系統工作流程示意圖

3 可實現的主要功能分析

根據礦井施工要求和作業環境，設計出配套的軌道運輸智能監控系統，并在井下實踐應用，實現設計預期的目標，多項指標達到相關標準，其中幾點功能介紹如下：

1）運輸機車精確定位及實時顯示。機車在井下工作時，由于其安裝有帶有信息的識別卡，在無線射頻技術和軌道計軸器的作用下，能夠實時定位每部機車的運行位置，而且通過可視化智能監控，能夠直觀地了解機車的運行狀態，便于井下的調控和操作。

2）軌道道岔遠程控制功能。通過軌道運輸系統的可視化監控，井下道岔的切換狀態可實時的以電子圖的形式直觀展現在計算機屏幕上，對道岔的切換實現了有效及時的控制，當進行遠程調度的時候，系統將自動對道岔進行閉鎖，防止不慎操作。

3）故障分析及應急處置功能。人身安全永遠是第一位的，特別是井下工作，安全風險很高，因此系統的應急處置能力至關重要。通過設備在井下的運行實踐后，該系統能夠實現對軌道、電氣設備的不間斷監控，若出現緊急情況，應急處置功能將立即采取措施，同時發出故障警報，確保系統的安全運行。

4）實時錄像功能。通過井上井下的數字攝像機監控技術，能夠全天候的24 h 監控系統及井下工作情況，并將數據上傳保存井上井下雙備份，數據保存時間至少7 d，在有需要時可隨時回放以往數據查看。

5）聯網管理功能。該軌道運輸系統在采用標準的網絡協議后，設置網絡接口接入環網或單獨組網，就可以在地面或井下監控中心計算機屏幕展現清晰的視頻圖像，兩地同時實現實時監控，方便領導在必要時準確掌握第一手決策信息，確保井下人車的安全管理。

6）Wi-Fi 通信兼容功能。系統網絡作為一個開放的網絡，能夠允許存在其他Wi-Fi 信號的傳遞輸送，這就使井下Wi-Fi 的設置實現了可能，大大便利了井下的作業和系統的高效運行[7]。

4 實踐應用效果分析

如上所述將以上所設計的軌道運輸系統在井下付諸實踐1 年后，各部分運行情況基本良好，沒有出現太大的問題。其具體應用效果如下：

1）通過網絡設計實現了井下軌道運輸的智能化控制，由于智能化控制使得機車的安全運行得到了很大保障，發生事故的概率減小，交通事故嚴重減少，生產及運輸效率極大提高，整個系統直觀可控，運行良好。

2）軌道運輸系統實現智能化控制，使得井下的各部分工作可在有需要時隨時進行調控，并能實時地通過數據攝像機技術實現可視化監控，尤其是要實現遠程智能化控制井下的設備和車輛，使其安全高效的運行，該技術水平的實現極大地提升了在該行業的競爭力。

5 結語

通過該礦井軌道運輸系統的升級改造，至今該系統在運行過程中沒有出現太大的故障問題，運行狀況一直保持良好，其中通過可視化智能監控系統，實現了井下機車的實時動態監控，在道岔切換，車輛合理調配等發揮了至關重要的作用，大大提高了井下生產運輸效率。同時使整個系統操作簡便，穩定性及礦井工作能力大大提高。