錫鐵山鉛鋅礦斜坡道交通信號控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

申朝波， 史海明， 李德彬， 楊俊青

(金誠信礦業(yè)管理股份有限公司錫鐵山項(xiàng)目部， 青海 錫鐵山 816203)

1 前言

錫鐵山鉛鋅礦主斜坡道原交通信號系統(tǒng)于2009年由西北冶金研究院電氣自動化研究所設(shè)計并安裝，至今運(yùn)行已有8年，其工作原理與國內(nèi)的礦山斜坡道的信號控制原理基本上相同，是通過安裝在斜坡道內(nèi)的讀卡器識別下井車輛上安裝的定位卡，并控制斜坡道內(nèi)安裝的信號燈，自動調(diào)度機(jī)動車輛運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)合理避讓，達(dá)到安全高效的運(yùn)輸目的[1-4]。

原斜坡道信號系統(tǒng)主要由上位機(jī)、讀卡器、定位標(biāo)簽、信號燈、信號線纜、信號光纜、中繼器和光電轉(zhuǎn)換模塊等組成；每一臺下井工作的機(jī)動車輛上都裝有一個定位標(biāo)簽，其主要作用是定位車輛的具體位置，每一個錯車場裝有兩臺讀卡器和兩個信號燈，分別安裝于錯車場的上下口，共有22個錯車場安裝了讀卡器和信號燈。讀卡器的主要作用是讀取每一臺機(jī)動車上定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，然后通過信號線纜、中繼器、光電轉(zhuǎn)換模塊把讀卡器接收到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，通過上位機(jī)后臺的程序運(yùn)算后區(qū)分每一臺機(jī)動車的運(yùn)行狀態(tài)，從而來改變信號燈的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斜坡道內(nèi)的車輛有序、安全和高效運(yùn)行。

2 原系統(tǒng)設(shè)計原理

原斜坡道信號系統(tǒng)組成電氣元件：車輛定位模塊、讀卡器、ADAM- 4571模塊、EKI- 2526S模塊、ADAM- 4510S模塊、EKI- 2541S模塊、12V直流電源、通訊光纜、信號線纜、信號燈、中繼器和上位機(jī)，具體接線方式如圖1所示。

圖1 原系統(tǒng)接線方式圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理：無源定位模塊安裝在機(jī)動車輛上，每個車場安裝兩個讀卡器，當(dāng)車場內(nèi)的讀卡器檢測到有車輛上安裝的定位模塊時，讀卡器通過光電轉(zhuǎn)換模塊和光纜傳輸至上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)的軟件處理，辨別出車輛的運(yùn)行狀態(tài)來置位或復(fù)位信號燈。

3 原系統(tǒng)存在問題

2016年1月，公司接手管理該礦山后發(fā)現(xiàn)斜坡道信號系統(tǒng)使用過程中一直存在信號燈變化比較緩慢，經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)讀卡器的讀卡速度太慢，車輛的速度只要稍微加快，系統(tǒng)畫面就會出現(xiàn)丟車或信號燈變化紊亂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響斜坡道車輛正常運(yùn)行。針對上述問題，我公司相關(guān)技術(shù)人員對信號系統(tǒng)的原理進(jìn)行調(diào)查、研究和分析后發(fā)現(xiàn)個別車輛上安裝的定位標(biāo)簽損壞、讀卡器接收信號距離近、讀卡器損壞等問題，部分已損壞的定位標(biāo)簽和讀卡器必須進(jìn)行更換，才能正常使用。

通過多次與廠家聯(lián)系溝通，進(jìn)行詢價發(fā)現(xiàn)該信號系統(tǒng)的備件非常昂貴，例如一個讀卡器5 800元/個，一個4 571模塊8 600元/個；系統(tǒng)內(nèi)所用備件在市面上沒有賣家，必須要到廠家訂做而且周期比較長(約2個月)。原系統(tǒng)安裝了59臺讀卡器及其他電氣模塊，考慮到其使用的年限久，大部分電氣元件已經(jīng)到了更換周期，要徹底修復(fù)該信號系統(tǒng)并保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，需更換較多備件，一次性投入的費(fèi)用較高，而且正常期的維護(hù)成本也會較高，影響的時間比較長?？紤]到上述種種問題，繼續(xù)使用原斜坡道信號系統(tǒng)，修復(fù)和維護(hù)等工作開展困難重重，成本大、周期長，運(yùn)輸降效，嚴(yán)重制約著井下生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

為盡快恢復(fù)斜坡道交通信號系統(tǒng)，提高效率、降低成本，經(jīng)過相關(guān)人員研究討論決定對斜坡道信號系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加一套自主研發(fā)的信號運(yùn)行控制系統(tǒng)。具體改造方法是采用西門子S7- 200PLC、歐姆龍對射型光電開關(guān)、中間繼電器和7×1.0mm2控制電纜構(gòu)建一套新的信號控制系統(tǒng)，通過編寫PLC程序，進(jìn)行計數(shù)累加運(yùn)算，區(qū)別車輛的運(yùn)行方向和進(jìn)入車場的時間先后關(guān)系，分別控制各光電開關(guān)，繼而控制信號燈的啟停，達(dá)到控制斜坡道交通的作用。其中光電開關(guān)主要是檢測區(qū)分車輛或是人員和還有計數(shù)作用，控制電纜主要是信號傳輸作用。

4 系統(tǒng)改造設(shè)計原理

1)PLC 安裝位置設(shè)計

由于斜坡道的任意兩個車場之間的間隔距離都相對較遠(yuǎn)，且間隔距離不相同(180～300m不等)，電纜相對較長、電壓降大，設(shè)計中考慮把PLC控制箱安裝于兩個車場中間位置，用一個PLC控制兩個車場的信號燈，這樣可以保證電壓降在允許范圍之內(nèi)，每一個控制箱控制兩個上行信號燈和兩個下行信號燈

2)光電開關(guān)設(shè)計

繼續(xù)利用原斜坡道信號系統(tǒng)的信號燈，在每個錯車場的信號燈下面各安裝兩對光電開關(guān)，為防止有人員通過時導(dǎo)致信號燈錯誤動作，要求兩對光電開關(guān)的安裝間距約2m，并且要串聯(lián)運(yùn)行；硬件安裝完畢后，把光電開關(guān)和信號燈的信號線接至西門子PLC端上即可，具體接線原理圖如圖2所示，設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 新系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

當(dāng)有機(jī)動車下行運(yùn)行同時經(jīng)過并遮擋住車場口安裝的兩個光電開關(guān)時，光電開關(guān)會閉合一次，PLC將接收到一個脈沖信號，其內(nèi)部的計數(shù)累加器指令會累加一次，同時會把上下兩個車場的信號燈置位紅燈，不讓其他機(jī)動車進(jìn)入主巷道內(nèi)；當(dāng)機(jī)動車運(yùn)行至下一個車場口時，同時遮擋住車場口安裝的兩個光電開關(guān)，這時PLC會再接收到一個脈沖信號，其內(nèi)部的計數(shù)累加器會減去一個脈沖，當(dāng)其內(nèi)部的計數(shù)累加器變?yōu)榱?，同時會把上下兩個車場的信號燈同時復(fù)位綠燈，也就是機(jī)動車下行時不允許跟車一起下，機(jī)動車之間的距離必須相隔一個車場的距離，防止在車場內(nèi)堵車；當(dāng)有機(jī)動車上行運(yùn)行同時經(jīng)過并遮擋住車場口安裝的兩個光電開關(guān)時，光電開關(guān)會閉合一次，PLC會接收到一個脈沖信號，其內(nèi)部的計數(shù)器指令會累加一次，同時會把上個車場的信號燈置位紅燈，如果連續(xù)有N個機(jī)動車上行時那么計數(shù)累加器會累加N次，當(dāng)機(jī)動上行至上車場口時，同時遮擋住車場口安裝的兩個光電開關(guān)，這時PLC會再接收到一個脈沖信號，其內(nèi)部的計數(shù)器會減去一個脈沖，當(dāng)其內(nèi)部的計數(shù)器減為零時，會把上個車場的信號燈復(fù)位綠燈，也就是如果機(jī)動車上行時允許N臺機(jī)動車在保證安全的情況下可以一起上行，這樣即可以保障斜坡道內(nèi)行車安全，還可以提高運(yùn)輸效率。

5 系統(tǒng)改造后的優(yōu)點(diǎn)和效果分析

PLC斜坡道交通信號控制系統(tǒng)開拓創(chuàng)新，從實(shí)用、高效和低成本的思路出發(fā)，改變原有的信號控制系統(tǒng)的控制模式，其優(yōu)點(diǎn)和效果體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)效率提高：改造后的斜坡道交通信號燈的反應(yīng)速度經(jīng)實(shí)地測試相比原系統(tǒng)快了很多，沒有在出現(xiàn)卡燈現(xiàn)象，提高了斜坡道卡車運(yùn)礦效率。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：改造后的斜坡道信號控制系統(tǒng)每個車場的信號燈都是獨(dú)立控制，車場與車場的信號燈互不干擾；原信號系統(tǒng)的信號燈是一個整體，一旦有一個信號燈出現(xiàn)問題，整個信號系統(tǒng)都陷入癱瘓狀態(tài)，無法正常運(yùn)行，改造后的系統(tǒng)相比原系統(tǒng)運(yùn)行要更加穩(wěn)定。

(3)故障處理便捷：改造后的斜坡道信號系統(tǒng)車場的信號燈都是相互獨(dú)立的，如果哪個車場的信號燈沒有變化，就直接維修該車場內(nèi)的信號燈或是光電開關(guān)就可以了；原信號系統(tǒng)是一個整體，一旦信號系統(tǒng)故障癱瘓以后，必須要一個一個車場的去排查，維修效率比較低，對斜坡道運(yùn)輸?shù)挠绊懘蟆?/p>

(4)成本低廉：改造后的斜坡道信號系統(tǒng)所用的電氣元件價格相對便宜，屬于市面上比較常規(guī)的器件，便于采購，并且電氣元件可替代性比較強(qiáng)；原信號系統(tǒng)的電氣元件價格昂貴，必須要去廠家定制，所有電氣元件都不能更替，安裝和維修的費(fèi)用高。經(jīng)改造后的主要電氣元件價格見表1。

表1 斜坡道信號改造費(fèi)用預(yù)算

6 結(jié)論

斜坡道交通信號控制系統(tǒng)改造后經(jīng)過一年多的運(yùn)行來看，總體效果良好，有效解決了原系統(tǒng)故障癱瘓導(dǎo)致斜坡道交通運(yùn)輸管理混亂、生產(chǎn)降效的問題。相比原系統(tǒng)來說，新系統(tǒng)運(yùn)行效率提高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障處理迅速，維修和維護(hù)成本降低，該創(chuàng)新技術(shù)為礦山斜坡道交通運(yùn)輸信號系統(tǒng)提供借鑒的實(shí)例。

盡管在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)還有一些需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)的地方，例如兩車上、下同時進(jìn)入同一段區(qū)域后，該系統(tǒng)無法做出指示，司機(jī)無法及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致斜坡道出現(xiàn)兩車無法避讓的現(xiàn)象等，這也是礦山科技工作者下一步需要繼續(xù)改進(jìn)的地方和方向，努力做到更好。