礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李軍鴻

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦， 河南 平頂山　467000)

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礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李軍鴻

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦， 河南 平頂山467000)

針對(duì)現(xiàn)有煤礦井下電機(jī)車安全控制不能有效防止闖紅燈、追尾和相撞的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用射頻無(wú)線通信技術(shù)，利用信集閉信號(hào)控制電機(jī)車安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了闖紅燈報(bào)警、車輛距離提示和超速行駛控制等功能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)提高了電機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩裕蠓档土诉\(yùn)輸事故發(fā)生率。

礦井電機(jī)車； 安全防護(hù)； 無(wú)線通信; 信集閉系統(tǒng); 闖紅燈報(bào)警； 車距控制； 超速控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1034.018.html

0　引言

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司八礦(以下簡(jiǎn)稱平煤股份八礦)大巷全長(zhǎng)近20 km，現(xiàn)運(yùn)行36臺(tái)CDXT2-12J型蓄電池電機(jī)車，245臺(tái)底卸式5 t礦車，880臺(tái)2 t礦車，45臺(tái)人車，220臺(tái)其他材料設(shè)備車，井下合計(jì)運(yùn)行1 426臺(tái)各種用途車輛。井下大巷原煤、矸石、材料、設(shè)備、人員運(yùn)輸任務(wù)繁重，電機(jī)車運(yùn)輸頻次高，管理難度大，安全事故時(shí)有出現(xiàn)。雖然大巷運(yùn)輸采用了礦井電機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，但電機(jī)車司機(jī)操作失誤或誤闖紅燈發(fā)生相撞和追尾事故，車輛超速造成掉道事故，調(diào)車、倒車誤撞事故，車輛與巷道管線刮蹭事故等時(shí)有發(fā)生。為防止這些事故的發(fā)生，礦井電機(jī)車設(shè)計(jì)有防撞功能，通過(guò)車架前后端裝有的彈性緩沖器，在碰撞時(shí)緩沖和吸收碰撞能量，以減輕撞擊時(shí)對(duì)電機(jī)車的危害。但緩沖器能夠吸收的能量有限，無(wú)法起到較好的防撞緩沖效果[1]。另外，電機(jī)車還安裝有車載瓦斯斷電儀和過(guò)電流保護(hù)等簡(jiǎn)單的安全防護(hù)裝置，但這些保護(hù)裝置不能滿足井下安全運(yùn)輸?shù)男枰Ｄ壳暗孛鏅C(jī)動(dòng)車輛所采用的防撞預(yù)警或剎車裝置工作原理：紅外線、超聲波、激光、無(wú)線電等發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)被反射回來(lái)，接收器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行判斷處理，然后報(bào)警或剎車。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，巷道狹窄昏暗，岔道及彎道較多，車輛與巷幫間距較小，在電機(jī)車運(yùn)行到大巷彎道等處時(shí)，車身上安裝的傳感器發(fā)出的電磁波經(jīng)常被巷道、巷道內(nèi)的管線及煤塵等阻擋反射造成誤報(bào)警、誤動(dòng)作，不能可靠工作[2]。為此，平煤股份八礦結(jié)合現(xiàn)有電機(jī)車運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和礦井1 000 MB工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，與有關(guān)廠家合作，設(shè)計(jì)了礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)，提高了礦井電機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃?。該礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)綜合采用射頻、超聲波、霍爾等多種技術(shù)手段檢測(cè)電機(jī)車及周邊數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車安全預(yù)警及防護(hù)功能。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

平煤股份八礦現(xiàn)已運(yùn)行井上、井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、電機(jī)車信集閉系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等，應(yīng)盡可能利用原有系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)架構(gòu)上設(shè)計(jì)完善電機(jī)車安全防護(hù)設(shè)施[3]。礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)擴(kuò)展了原有的人員定位系統(tǒng)，將單一人員定位升級(jí)為礦車及人員定位，通過(guò)定位分站采集電機(jī)車自身運(yùn)行工況和環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)信集閉系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)傳輸整合數(shù)據(jù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每臺(tái)電機(jī)車安裝有電機(jī)車控制器、觸摸屏顯示器，用于監(jiān)測(cè)電機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)和位置，控制電機(jī)車制動(dòng)和開(kāi)停。每臺(tái)電機(jī)車還安裝了多波段射頻接收和發(fā)射裝置，接收大巷信集閉系統(tǒng)的紅綠燈信號(hào)和周邊人員車輛位置信號(hào)。每臺(tái)礦車安裝有礦車定位卡，讀卡分站采用原有人員定位分站，負(fù)責(zé)采集井下人員及礦車位置等數(shù)據(jù)，讀卡分站讀取數(shù)據(jù)后，通過(guò)井下交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至井下工業(yè)以太網(wǎng)。同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)攝像儀采集大巷乘車點(diǎn)、放煤站、關(guān)鍵巷道交叉口等視頻信息，并將信息傳輸至工業(yè)以太網(wǎng)。中心機(jī)房服務(wù)器將接收的電機(jī)車運(yùn)行信息進(jìn)行分類整理，并根據(jù)報(bào)警條件產(chǎn)生報(bào)警信息，形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為運(yùn)輸調(diào)度提供依據(jù)。

圖1　礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)車運(yùn)輸過(guò)程中闖紅燈報(bào)警、防追尾、防相撞、防超速行駛、防倒車誤撞等功能。借助綜合自動(dòng)化、信息化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)、射頻通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，系統(tǒng)還可及時(shí)、準(zhǔn)確顯示井下各個(gè)采區(qū)電機(jī)車和礦車的動(dòng)態(tài)情況，掌握井下電機(jī)車、礦車的分布狀況和每臺(tái)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(1) 闖紅燈報(bào)警功能。 當(dāng)電機(jī)車運(yùn)行至紅綠燈位置，遇到紅燈閉鎖時(shí)，若司機(jī)不停車則報(bào)警裝置動(dòng)作，可發(fā)出報(bào)警信息，當(dāng)電機(jī)車司機(jī)強(qiáng)行闖紅燈時(shí)，電機(jī)車強(qiáng)制斷電停車。電機(jī)車闖紅燈報(bào)警裝置采用加裝射頻電路的紅綠燈傳感器，通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊與電機(jī)車控制器通信聯(lián)系。信集閉系統(tǒng)設(shè)定好路線后，電機(jī)車按照紅綠燈的指示路線行駛，監(jiān)控畫(huà)面上顯示電機(jī)車行駛的速度和位置。信集閉系統(tǒng)分站采用循環(huán)掃描的方式采集電機(jī)車動(dòng)態(tài)信息，電機(jī)車運(yùn)行至大巷紅綠燈位置時(shí)，電機(jī)車控制器接收模塊通過(guò)紅綠燈傳感器采集紅綠燈信號(hào)[4]。如果得到允許電機(jī)車通過(guò)的綠燈信號(hào)，電機(jī)車控制器輸出低電平信號(hào)，電機(jī)車可以繼續(xù)運(yùn)行；如果得到禁止電機(jī)車通過(guò)的紅燈信號(hào)，電機(jī)車控制器輸出高電平信號(hào)，發(fā)出指令控制電機(jī)車報(bào)警和停車。

(2) 防追尾、防相撞功能。在2輛電機(jī)車同向或逆向行駛靠近時(shí)，電機(jī)車顯示屏顯示電機(jī)車車號(hào)、2輛車的車距等信息，根據(jù)車距、車輛行駛方向等采用不同控制策略，在接近危險(xiǎn)車距時(shí)自動(dòng)控制電機(jī)車制動(dòng)剎車。電機(jī)車控制器通過(guò)射頻模塊發(fā)射低頻無(wú)線電波[5]，檢測(cè)周圍是否存在其他電機(jī)車或礦車，若存在其他車輛，接收其他車輛射頻定位卡發(fā)出攜帶車輛ID的低頻無(wú)線電波，經(jīng)電機(jī)車控制器處理，提取其他電機(jī)車的編號(hào)信息并在電機(jī)車顯示屏上顯示電機(jī)車編號(hào)及車距。電機(jī)車控制器可以根據(jù)接收到的信號(hào)判斷車距后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而為電機(jī)車的安全運(yùn)行提供保障。當(dāng)同一軌道的2輛電機(jī)車靠近時(shí)，射頻模塊在發(fā)射信號(hào)的同時(shí)接收到一組信號(hào)數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、隔離、整形、放大，判斷報(bào)警條件是否成立，若成立則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)降低電機(jī)車的運(yùn)行速度，有效防止同一軌道的電機(jī)車發(fā)生追尾事故。行駛在相同巷道2條軌道上的電機(jī)車防追尾信號(hào)通信頻率不一樣時(shí)，不報(bào)警。

(3) 防超速行駛功能。速度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電機(jī)車控制器輸出信號(hào)并報(bào)警，控制電機(jī)車調(diào)速器降低車速。速度檢測(cè)方法是在電機(jī)車車軸上安裝霍爾傳感器，將電機(jī)車車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，電機(jī)車控制器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)算并得到電機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行速度。同時(shí)，設(shè)定2組車速報(bào)警值，根據(jù)預(yù)設(shè)報(bào)警值比較判斷是否進(jìn)行報(bào)警及車輛制動(dòng)。當(dāng)電機(jī)車運(yùn)行速度超過(guò)設(shè)定高速報(bào)警值時(shí)，電機(jī)車控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并控制電機(jī)車調(diào)速器降低車速。當(dāng)車速超過(guò)危險(xiǎn)車速時(shí)，電機(jī)車控制器可輸出一組控制觸點(diǎn)，以控制剎車系統(tǒng)，通過(guò)氣剎制動(dòng)閥拉臂的動(dòng)作，使制動(dòng)閥上、下兩腔進(jìn)風(fēng)口分別與制動(dòng)壓風(fēng)相通，儲(chǔ)氣筒前、后腔空氣分別通過(guò)制動(dòng)閥進(jìn)入后、前制動(dòng)氣缸，制動(dòng)器進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車氣剎控制，控制電機(jī)車在危險(xiǎn)距離實(shí)施剎車，防止電機(jī)車超速行駛造成脫軌事故。

(4) 防倒車誤撞功能。利用超聲波測(cè)距原理測(cè)量電機(jī)車與障礙物的距離，超聲波發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物就反射回來(lái)，超聲波接收器負(fù)責(zé)接收反射信號(hào)。由于超聲波在空氣中的傳播速度是固定的，所以通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收超聲波的時(shí)間差就可以測(cè)量電機(jī)車與障礙物的實(shí)際距離[6]。電機(jī)車防倒車誤撞裝置由收發(fā)一體式超聲波探頭、電機(jī)車控制器、顯示器等組成，超聲波探頭安裝在電機(jī)車兩端。當(dāng)電機(jī)車開(kāi)始進(jìn)入倒車時(shí)，防倒車誤撞裝置自動(dòng)觸發(fā)，相關(guān)電路開(kāi)始工作，超聲波探頭在上下左右各方向搜尋障礙物，發(fā)射模塊發(fā)送40 kHz的超聲波，接收模塊檢測(cè)處理返回的超聲波信號(hào)，通過(guò)間隔時(shí)間計(jì)算出電機(jī)車車體與障礙物之間的實(shí)際距離，并在顯示器上顯示計(jì)算結(jié)果。當(dāng)電機(jī)車車體與障礙物間距接近一定距離時(shí),報(bào)警器觸發(fā)，提醒司機(jī)注意安全，超過(guò)危險(xiǎn)距離時(shí)，禁止電機(jī)車啟動(dòng)。

3　結(jié)語(yǔ)

礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)車司機(jī)常見(jiàn)的違章行為和常見(jiàn)的事故類型采取了相應(yīng)的防范措施，在電機(jī)車運(yùn)行中減少了人為闖紅燈、超速行駛等事故的發(fā)生，能有效提醒司機(jī)注意電機(jī)車間距過(guò)近、倒車等危險(xiǎn)因素。該系統(tǒng)完善了原有電機(jī)車信集閉系統(tǒng)，可通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與管理，還可以實(shí)現(xiàn)礦車的定位和調(diào)度管理功能。礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)已在平煤股份八礦二水平大巷投入試用，明顯減少了電機(jī)車超速行駛、闖紅燈等行為，降低了電機(jī)車事故發(fā)生率。

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Design of safety protection system of mine electric locomotive

LI Junhong

(No.8 Coal Mine, Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.,Ltd., Pingdingshan 467000 ,China)

In view of problems that existing coal mine electric locomotive safety control cannot effectively prevent red light running, rear-end collision and collision, a kind of safety protection system of mine electric locomotive was designed. The system adopts radio frequency wireless communication technology and uses signals of signal, integrated and blocked system to control safe operation of the electric locomotive, which realizes functions of red light alarm, vehicle distance presentation and over-speed control. The practical application shows that the system improves security of electric locomotive transportation, and greatly reduces rate of transportation accidents.

mine electric locomotive; safety protection; wireless communication; signal, integrated and blocked system; red light alarm; vehicle distance control; over-speed control

1671-251X(2016)06-0077-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.019

2015-12-15；

2016-03-10；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

李軍鴻(1968-)，男，河南魯山人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)管理工作，E-mail：zhhr1968@163.com。

TD64

B網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:34

李軍鴻.礦井電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：77-79.