煤礦電機車運輸安全防護設計方案研究

李 瑩 李 松 李 響

（棗莊礦業（集團）有限責任公司田陳煤礦，棗莊 277523）

我國是動力生產煤大國，自產煤每年超37 億t，煤炭用量較多，因此對煤礦安全生產運輸提出了更高要求。現階段，井下機械化設備完善，基本實現電機車運輸，但是由于運行環境惡劣、運行時間長，僅靠人員駕駛操作容易出現運輸事故。煤礦電機車運輸中，為實現煤礦安全生產需要去人工化，采取科學合理的安全防護設計，從而實現電機車自動化運輸。

1 煤礦電機車運輸安全防護關鍵技術分析

1.1 機車驅動技術

電機車自動化運輸中，其加減速、停車能否精準控制與采礦運輸安全息息相關，因此需要提高電機車的可靠性。電機車主要采取變頻器驅動電機，控制電機轉速，以滿足電機車的運行要求[1]。

1.2 機車控制技術

電機車運輸中，為實現遠程控制，在保證可靠安全的基礎上減少人員勞動量，需要安裝智能控制系統，主要體現在以下4 個方面。第一，自動保護功能。電機車能夠根據運輸線路道路調整運行速度或自行終止運行，以免發生追尾、碰撞摩擦等事故。第二，按照指令自動駕駛。電機車配置智能功能，使其接收到調度指令時能夠根據預設程序運行，實現電機車裝卸、停車、升降、鳴笛、減速、加速、剎車和緊急制動等功能。第三，多種控制方式，主要包括人工操作、自動控制、遙控控制等。結合實際生產要求，選擇恰當的控制模式，以適應遠程控制、人工操作、設備巡檢需求等[2]。第四，電壓適應范圍。考慮地下運輸線路較長，存在較大電壓波動，變頻器需要適宜0～550 V的電壓環境，對其進行二次開發，滿足作業要求。

1.3 特殊傳感器

電機車運輸中為實現防撞、防超速等功能，需要分析運輸環境，如果存在減振性差、精度低、線路岔道彎道多等情況，則會影響運行效果。因此，電機車運輸安全防護應增加超聲波收發檢測、霍爾傳感器、Bumblebee2 相機、視頻監控、聲光報警裝置及射頻識別檢測等特殊傳感器，準確檢測周圍運輸環境。

2 煤礦電機車運輸安全防護設計方案

2.1 系統架構及設計原則

電機車是井下重要運輸設備，面對復雜的工作環境，需要結合機車驅動技術、控制技術、特殊傳感器實現穩定運行[3]。以5 t 蓄電池電機車為例，其額定電壓為90 V，容量為385 A·h，最大牽引力為14.2 kN，額定速度為8 m·s-1，最高速度為14 m·s-1。系統設計中，上位機能夠接收電機車反饋，顯示電機車的行駛方向、速度、電壓狀態等信息，通過無線通信網絡傳輸數據，實時監測電機車狀態。系統構建無線平臺，傳達驅動電機車指令，進而調節電機車的運行，控制其加減速、啟停運動，做到防撞、防追尾、防超速和機車定位。電機車安全防護系統架構，如圖1 所示。

圖1 電機車安全防護系統架構

電機車運輸安全防護設計需兼顧可擴展性和可靠性。一方面，可擴展性。在智慧礦山建設下，對電機車自動化提出要求。為推動智能化電機車的發展，安全防護系統設計中需要預留可擴展接口和系統升級空間。另一方面，可靠性。電機車工作環境惡劣，為確保設備運行平穩，安全防護系統必須具備可靠性。系統設計中，可利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器及傳輸數據平臺優化運行環境[4]。

2.2 運輸安全防護功能設計

2.2.1 防撞、防追尾

防撞、防追尾設計中，要求電機車運輸煤炭時檢測兩輛車間距是否在預設距離值以內，若小于預設距離值則觸發報警，傳遞信息至監控調度中心下達減速/剎車指令，以免發生相撞、追尾等事故[5]。該功能模塊采取Bumblebee2 相機，每秒可生成100 萬3D 點，能夠適應電機車速度。相機參數如下：焦距25 mm，基線120 mm，幀率48 f·s-1，像素640×480，接口1394。

獲取相機圖像數據后，利用1394 接口與以太網將信息傳輸至計算機。由于左右相機輸入功能自動同步，可以減少計算深度誤差。翻轉、平移坐標系，以光點為原點，轉換為相機坐標系。標定相機內參數，結果見表1。

表1 相機內參數標定結果

拍攝照片后，利用直方圖增強圖像，解決井下光照不足的情況，使得每個灰度值占比更為均勻。通過直方圖均衡和灰度化處理，能夠提高電機車檢測準確率與效率。通過超聲波測距系統確定機車的運動狀態、初始位置和時間，計算機車坐標系，在統一坐標系下準確界定各電機車的位置，判斷兩輛電機車車距，控制車距處于安全距離。

2.2.2 防超速

電機車運輸煤炭時，運行速度過快將產生超速脫軌事故。通過防超速功能模塊設計，發生超速情況后，車載監控系統將發出報警信號，控制調速器減小運行速度，維護機車運行安全。該模塊中設置接收裝置與發射裝置，接收模塊安裝在車頭內，發射模塊安裝在運輸關鍵環節。防超速工作原理如圖2 所示。

接收模塊包括聲光報警器、霍爾傳感器、智能轉速表和直流變換器等，礦用直流變換器將運輸巷內550 V 直流電轉換成24 V 直流電，為智能轉速表與霍爾傳感器提供電源。智能轉速表自帶12 V 電源，為接收端無線遙控器提供電源，而且自帶KM1與KM2繼電器控制聲光報警器開關。智能轉速表上有速度測量值、確認/設定鍵、繼電器指示燈、增加鍵和選位鍵等，調整設定狀態與測量狀態能夠顯示線速度、轉速、頻率等參數值。為提高顯示速度的精準度，在電機車車軸上安裝4 個磁片，每旋轉1 周能夠輸入多個脈沖值。結合煤礦安全規定，設定KM1報警速度為2 m·s-1。發射模塊由集成電路芯片、直流變換器和降壓電阻等構成。考慮井下蓄電能力與安全性不足，優化電池電源，制作穩壓濾波電路，使得各模塊正常工作，保證發現電機車超速后能夠迅速啟動聲光報警，控制車速。

2.2.3 機車定位

礦井運輸線路較多、覆蓋范圍廣泛，容易出現運輸事故，特別是電機車一旦開出，難以更改調度指令，必須建立定位通信系統，保證生產安全。該定位監控系統包括節點機（通信節點與主節點）、視頻系統、射頻識別等多個環節，能夠收集電機車加速度及方向信息，利用位移算法獲得位移、速度參數。在監控系統中配置無線語音通信模塊，準確傳輸數據。系統運行監控中采取組態軟件，利用下位機與串口通信，在監控畫面中顯示電機車的運行情況。電機車運行區域軌道呈紅色，無車區域軌道呈黑色，即將運行電機車區域軌道呈黃色。另外，該系統能模擬井下巷道情況，把控電機車信息。

3 煤礦電機車運輸安全防護設計方案的應用研究

3.1 利用安全控制系統

煤礦電機車運行時，將安全控制系統輸入電機車程序，利用機車定位、防撞、防追尾、防超速功能，將井下電機車運行速度、方向等以視頻、圖片的形式傳輸至調度中心，由調度中心下達調度指令與控制指令，保證運行的安全性。

3.2 機車設備連接檢查機制

在電機車運行中，為發揮安全防護系統作用，需要做好設備連接檢查工作，提高電機車質量。首先，把控備品備件質量，禁止使用不合格部件。以電機車動輪為例，僅使用原廠新動輪，以免多次返修。其次，加強設備連接日常點檢，如轉向架上下拱板等，如果出現開裂需要全套換新，不能使用電焊焊接。拱板變形需要調校，避免影響機車運行。最后，電機車車輪軸承潤滑不良、卡死不轉，需要進入修車庫修理，以免車輪長期與鋼軌道摩擦造成磨損變形，或因高溫摩擦改變材料性質，導致輪面破裂引發事故。

3.3 優化安全信號及預警機制

電機車運行中受人力、設備等多因素影響容易出現事故，應立足安全防護系統，遵循安全第一、預防為主的原則，優化安全信號與預警機制。一方面，要優化安全信號，將電機車事故嚴重程度分為多個等級。最嚴重事故為紅色，代表可能出現人員傷亡；二級事故為橙色，代表可能出現財務損失；三級事故為黃色，代表將會影響設備運行。借助不同安全信號，提前預測可能的事故，做好電機車調度工作。另一方面，要優化預警機制，利用以太網環網發布預警信息至調度平臺與監控室，啟動應急預案。按照安全信號等級調配應急資源，包括設備物資、救援隊伍等，保證有效、迅速應對電機車運輸事故。

3.4 安全防護統計及設備維護

電機車安全運行中，可以利用安全防護系統統計事故頻率、解決方案、可能事故等，確定設備、部件及系統潛在的安全問題，對其進行管理維護。同時，要結合防護統計數據優化相關系統，以滿足煤礦電機車的安全運輸要求。

4 結語

煤礦電機車運輸過程中，容易出現追尾碰撞、超速脫軌等安全事故，不僅會損壞電機車，還會威脅人員生命安全，影響煤礦正常生產運營。因此，煤礦電機車需要具備防撞、防追尾、防超速、機車定位等安全防護功能，并從利用安全控制系統、機車設備連接檢查機制、優化安全信號及預警機制、安全防護統計及設備維護等方面出發，合理應用安全防護系統，保證電機車運行的安全性。