煤礦軌道運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳子瑞 陳威蘭 柴柯雅 張宏偉

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 河南省焦作市 454000）

煤礦機(jī)車軌道運(yùn)輸由于具有機(jī)動、靈活的特性，是礦井平巷運(yùn)輸系統(tǒng)中的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，在煤礦主、輔運(yùn)輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。近年來，隨著國有礦井自動化水平的提高，礦井產(chǎn)量大幅提升，大巷運(yùn)輸需求不斷增加，軌道安全運(yùn)行壓力逐漸增大。礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測監(jiān)控“信集閉”系統(tǒng)對于保證礦井軌道運(yùn)輸安全高效運(yùn)行具有重要意義。《煤礦安全規(guī)程》（2016版）第377條規(guī)定，新建大型礦井的井底車場和運(yùn)輸大巷，應(yīng)當(dāng)設(shè)置機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)或者運(yùn)輸集中信號控制系統(tǒng)。

為了保證機(jī)車運(yùn)輸安全高效運(yùn)行，本文利用設(shè)計(jì)一個適用于煤礦井下機(jī)車運(yùn)輸?shù)摹靶盘?、集中、閉塞”系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車精確定位，提高運(yùn)輸效率，提升礦井的自動、網(wǎng)絡(luò)化水平。本系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)作為控制器，PLC編程采用LAD編程語言，程序以梯形圖顯示。便于工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試、查找故障。與傳統(tǒng)微機(jī)控制比較，PLC具有可靠性高、檢修容易、檢修成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 “信集閉”系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

“信集閉”系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用PLC作為控制器，利用工業(yè)以太網(wǎng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。主要由PLC控制系統(tǒng)、信號燈、車輛傳感器、道岔控制裝置等設(shè)備組成。

在每一個控制分站，均設(shè)置了道岔控制裝置、車輛傳感器、無線收發(fā)器、信號燈顯示幾部分。每個分站均由PLC進(jìn)行控制，控制分站之間的通信由工業(yè)以太網(wǎng)完成，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC根據(jù)上位機(jī)的控制以及事先排列完成的聯(lián)鎖表確定信號燈的顯示以及道岔的控制，通過無線收發(fā)器和車輛傳感器完成對機(jī)車位置的定位。上位機(jī)設(shè)置了電子顯示屏，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時顯示，上位機(jī)設(shè)置在地面的中心站內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在地面對地下礦井的控制。

2 RFID無線射頻定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前煤礦采用的定位系統(tǒng)主要有行程開關(guān)、激光定位、GPS定位等方式。這些傳統(tǒng)的定位方式對于工作環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，行程開關(guān)可能存在由于碰撞導(dǎo)致定位設(shè)備損壞的情況，激光定位和GPS定位整體價格較高，在短距離操作環(huán)境下定位效果較差。在列車定位方面，國內(nèi)外主要使用的方法有軌道電路法、感應(yīng)回線法等，這些方法通常使用在國鐵或地鐵系統(tǒng)內(nèi)，這些系統(tǒng)所處環(huán)境相對煤礦較好，設(shè)備發(fā)生故障檢修較為容易，煤礦由于其特殊性，需要一種工作穩(wěn)定、定位精度高的定位方式。RFID定位技術(shù)目前已經(jīng)是一種較為成熟的通信技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、交通等工業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車的精確定位、能夠顯著提高運(yùn)輸效率。

無線射頻定位技術(shù)方案如下，在無線射頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上附加了機(jī)車定位處理單元和車載數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送單元，工作原理如圖2所示，車載閱讀器讀取電子標(biāo)簽信息，傳送給機(jī)車定位處理單元，定位處理單元會將閱讀器傳送來的定位信息和輔助信息做比較，計(jì)算矯正定位信息，得出機(jī)車準(zhǔn)確的位置，然后對定位信息通過車載發(fā)送器發(fā)送給列車控制臺。

無線接入點(diǎn)用于提供無線信號覆蓋和定位基站上聯(lián)匯聚。定位基站用于和定位標(biāo)簽進(jìn)行信息交互，并將定位數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳。定位標(biāo)簽安裝在機(jī)車上。每隔80-100米布置一個定位基站，基站位于巷道頂部，定位基站通過內(nèi)置Wi-Fi網(wǎng)關(guān)連接附近的AP，AP采用千兆以太網(wǎng)連接到交換機(jī)。

3 控制分站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)國鐵使用的ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)，包含了現(xiàn)場的ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)和室內(nèi)的繼電聯(lián)鎖部分?？紤]到煤礦井下沒有安裝繼電聯(lián)鎖設(shè)備，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轍機(jī)及繼電聯(lián)鎖無法使用再井下道岔控制上，本設(shè)計(jì)將去除室內(nèi)繼電聯(lián)鎖部分，改使用PLC直接控制轉(zhuǎn)轍機(jī)，如圖3為去除繼電聯(lián)鎖電路的ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)電路。圖中定位、反位引腳直接與PLC連接。作為轉(zhuǎn)轍機(jī)位置表示輸出到PLC。定位、反位操作輸入引腳在輸入低電平時使能該操作，實(shí)現(xiàn)了使用PLC直接控制道岔的目的。

ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)的動力是壓縮空氣，電磁閉鎖閥由壓力開關(guān)所控制，當(dāng)氣壓消失時，壓力開關(guān)關(guān)閉使得當(dāng)前狀態(tài)的道岔不能轉(zhuǎn)換，這樣可以保證轉(zhuǎn)轍機(jī)的正常工作。當(dāng)壓力不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，YLJ壓力開關(guān)節(jié)點(diǎn)會斷開，此時電磁鎖閉閥失電，將轉(zhuǎn)轍機(jī)鎖在當(dāng)前位置，防止了錯誤動作。傳統(tǒng)的ZK4轉(zhuǎn)轍機(jī)沒有失壓檢測電路，利用繼電聯(lián)鎖組合控制，只能通過定位操作或反位操作之后其相對應(yīng)的表示電路是否到位來判斷轉(zhuǎn)轍機(jī)是否發(fā)生失壓故障，這樣檢測不僅效率低，對井下運(yùn)輸影響巨大，而且會出現(xiàn)機(jī)車進(jìn)路排列錯誤，使列車發(fā)生追尾事故。本設(shè)計(jì)在電磁閥回路增加了繼電器表示電路，連接到PLC用來檢測是否發(fā)生氣壓不標(biāo)準(zhǔn)所造成的故障，極大程度的提高了系統(tǒng)的整體安全性。

4 組態(tài)顯示設(shè)計(jì)

組態(tài)模塊由組態(tài)軟件組態(tài)王King View完成。主要顯示整個運(yùn)輸系統(tǒng)的信息、工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時信息、機(jī)車運(yùn)行信息、道岔狀態(tài)以及發(fā)出道岔控制的命令。組態(tài)設(shè)計(jì)主要完成主顯示頁面的組態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)庫的配置等。

當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，組態(tài)軟件循環(huán)訪問PLC主控制器當(dāng)前信息，并通過顯示界面將道岔、信號機(jī)、軌道的占用情況及無線查詢到的機(jī)車信息顯示出來，并記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，此時的組態(tài)軟件充當(dāng)監(jiān)控站，一旦出現(xiàn)異常組態(tài)軟件立即切換運(yùn)行方式為控制站，排除故障。處在控制站狀態(tài)的組態(tài)軟件可以根據(jù)聯(lián)鎖表進(jìn)行排列進(jìn)路的操作，完成機(jī)車一次安排進(jìn)路、進(jìn)路開放、區(qū)段解鎖作業(yè)。

圖1：“信集閉”系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5 系統(tǒng)改進(jìn)方案

本系統(tǒng)對列車進(jìn)路的排列，主要是根據(jù)礦區(qū)實(shí)際設(shè)備位置等信息，提前編制聯(lián)鎖表，將聯(lián)鎖表信息存儲在上位機(jī)內(nèi)，在實(shí)際控制中，根據(jù)聯(lián)鎖表信息決定機(jī)車的進(jìn)路以及信號機(jī)顯示、道岔位置等。這樣的設(shè)計(jì)使得整體系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的局限性，只能使用在某一特定礦區(qū)，缺乏普適性。針對這一情況，可以采用相應(yīng)的算法，智能計(jì)算列車進(jìn)路，使得整個系統(tǒng)的普適性大幅度提高，獲得更大的市場前景與運(yùn)用空間。

6 結(jié)語

本文根據(jù)煤礦軌道運(yùn)輸與國鐵運(yùn)輸?shù)牟煌Y(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，基于PLC控制，結(jié)合RFID定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種適用于礦山使用的“信集閉”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)輸?shù)淖詣颖O(jiān)控，提高了運(yùn)輸?shù)淖詣踊潭?，保障了煤礦的運(yùn)輸安全性，有效的提高運(yùn)輸效率及煤礦信息化建設(shè)水平，對于增加煤礦經(jīng)濟(jì)效益有很大的幫助。通過本系統(tǒng)的應(yīng)用，使得煤礦軌道運(yùn)輸系統(tǒng)在地面實(shí)現(xiàn)對井下的調(diào)度、指揮以及監(jiān)控，對煤礦的安全生產(chǎn)有很大的意義，地面調(diào)度系統(tǒng)，給調(diào)度員合理指揮機(jī)車運(yùn)輸提供了安全的平臺，使得本系統(tǒng)有很好的推廣前景。

圖2：RFID 機(jī)車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3：PLC控制ZK4電空轉(zhuǎn)轍機(jī)電路示意圖