基于以太網(wǎng)的煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

張 偉

（大同市同煤集團(tuán)晉華宮礦輔助運(yùn)輸管理科， 山西 大同 037016）

引言

隨著我國對煤炭開采的整合與擴(kuò)建，使得煤礦生產(chǎn)能力大幅提升，現(xiàn)代化生產(chǎn)與信息技術(shù)在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用越發(fā)重要[1-2]。利用計算機(jī)信息技術(shù)管理井下運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)、調(diào)度是提升運(yùn)輸能力、保證安全的重要手段[3]。井下巷道線路復(fù)雜、運(yùn)輸距離長、對材料、人員、煤炭的運(yùn)輸任務(wù)越來越重，傳統(tǒng)的運(yùn)輸監(jiān)測方式對于信號、機(jī)車、方位等信息監(jiān)測量少，難以對其進(jìn)行合理化調(diào)度運(yùn)輸，極易引起車輛的堵塞，輕則影響生產(chǎn)效率，重則帶來安全事故。所以為提高生產(chǎn)運(yùn)輸效率、保證生產(chǎn)安全、增加調(diào)度可靠性，研究設(shè)計一套適用廣泛的煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)常見故障的分析

1）通過對目前常見軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，在整個監(jiān)控系統(tǒng)中軌道傳感器、信號燈、電機(jī)等設(shè)備屬于系統(tǒng)的底層設(shè)備，所占位置十分關(guān)鍵。而井下機(jī)車在運(yùn)行中所處的環(huán)境惡劣，使得這些設(shè)備受到的干擾十分嚴(yán)重，故研究底層設(shè)備的穩(wěn)定性、維護(hù)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對于井下軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

2）目前井下機(jī)車與分站進(jìn)行通信的方式大多采用射頻技術(shù)，而在井下受地質(zhì)構(gòu)造與開采巷道中物體的影響，不僅通信質(zhì)量的可靠性差，還會影響通信距離的穩(wěn)定性，從而在信息傳輸上帶來許多不確定的因素，極易造成機(jī)車運(yùn)輸事故的發(fā)生。

3）井下監(jiān)控與通信的分站承擔(dān)著對機(jī)車運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測與信號分析等功能，當(dāng)監(jiān)控分站不穩(wěn)定出現(xiàn)故障時，對軌道中的機(jī)車標(biāo)號、位置、速度以及方向等數(shù)據(jù)信息便不能進(jìn)行有效地分析與判斷，也不能對地面監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的實(shí)時傳輸，從而發(fā)生運(yùn)輸事故。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)將軌道運(yùn)輸系統(tǒng)分為井上與井下兩部分構(gòu)成，井上部分主要由運(yùn)輸監(jiān)控中心、計算機(jī)、服務(wù)器、顯示器、打印機(jī)等構(gòu)成，井下設(shè)備主要由控制主站、監(jiān)控分站以及各現(xiàn)場設(shè)備組成。井上部分設(shè)置井下機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測顯示，井下部分用于對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制。

井下利用現(xiàn)場布置的傳感器等設(shè)備對機(jī)車位置、速度、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過監(jiān)控分站完成對現(xiàn)場信號機(jī)狀態(tài)信息、傳感器信息等數(shù)據(jù)的采集，同時監(jiān)控中心也會根據(jù)地面監(jiān)控中心的調(diào)控命令對現(xiàn)場信號機(jī)與轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制。井上監(jiān)控中心與井下控制主站通過以太網(wǎng)相連接，采集井下監(jiān)控分站中PLC 控制單元所收集的信息，同時將該信息存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，以便后續(xù)查詢。井下監(jiān)控分站則根據(jù)地面運(yùn)輸監(jiān)控中心調(diào)度命令自動對運(yùn)輸線路進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)的智能化控制，同時監(jiān)測分站會對運(yùn)輸線路出現(xiàn)的故障狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下頁圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)功能

煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要是在保障井下煤炭的運(yùn)輸安全的基礎(chǔ)上，通過合理化調(diào)度控制從而提高運(yùn)輸效率。該系統(tǒng)通過利用井下監(jiān)測設(shè)備的信息采集了解機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)收集的運(yùn)行狀態(tài)控制中心對機(jī)車下達(dá)調(diào)度指令，而本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用分布式監(jiān)測站，發(fā)揮功能更強(qiáng)大的PLC 控制器，對機(jī)車運(yùn)行控制進(jìn)行優(yōu)化，具體功能如下：

1）機(jī)車定位：利用該系統(tǒng)可以方便調(diào)度人員觀測到機(jī)車的實(shí)時位置與編組情況；

2）車輛運(yùn)行監(jiān)測：可任意實(shí)時監(jiān)測各編組車輛的方向、車速、油溫等狀態(tài)，同時將機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)記錄在檔；

3）自動調(diào)控：監(jiān)測分站可以根據(jù)轄區(qū)內(nèi)機(jī)車的位置、數(shù)目、速度等情況調(diào)控每一輛車，優(yōu)化作業(yè)任務(wù)，避免堵塞巷道，提高運(yùn)輸效率；

4）系統(tǒng)可以通過井上監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析判斷，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時可以進(jìn)行故障報警，同時記錄在服務(wù)器中。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)確定

工業(yè)以太網(wǎng)在適用性、實(shí)時性、可靠性、本質(zhì)安全性、抗干擾性等方面有極大的優(yōu)勢。它是基于TCP/IP 的一種標(biāo)準(zhǔn)的開放式網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的互聯(lián)性與兼容性，同時它在保證高傳輸、遠(yuǎn)距離的條件下便捷的訪問遠(yuǎn)程系統(tǒng)，從而共享遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，但是以太網(wǎng)實(shí)時性程度相對比較低。為彌補(bǔ)以太網(wǎng)這一缺陷，考慮到井上與井下距離又太遠(yuǎn)，為此本系統(tǒng)利用光纖這種傳輸介質(zhì)，通過工業(yè)以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)將井上監(jiān)控中心與井下設(shè)備相互連接。井下之間的設(shè)備利用CAN 現(xiàn)場總線相互連接，井下設(shè)備便可以通過以太網(wǎng)-CAN 現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)連接到以太網(wǎng)中，從而增加系統(tǒng)通信的靈活性與實(shí)時性。

3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 監(jiān)控分站硬件組成

對井下現(xiàn)場機(jī)車及運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控是由監(jiān)控分站及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備組成。監(jiān)控分站主要由PLC 控制器、存儲單元、本安電源、顯示器、報警器等組成。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備完成對機(jī)車速度、方向、位置等信號的采集，將這些信息與電信號、開關(guān)信號、調(diào)度信號輸入至監(jiān)控分站，監(jiān)控分站根據(jù)編譯的控制策略按優(yōu)先級對轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)等設(shè)備做出信號指示，從而實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控，提高運(yùn)輸效率。運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控分站硬件組成如圖2 所示。

3.2 主控器選型

可編程邏輯控制器PLC 因可靠性高、性能穩(wěn)定、控制能力強(qiáng)、使用方便、編譯靈活等特點(diǎn)被現(xiàn)代工控生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，特別適用于惡劣的工礦環(huán)境中。目前，PLC 的種類型號很多，不同型號類別的PLC 其性能、存儲容量、指令系統(tǒng)等也不盡相同，所以選用合理的PLC 對提高系統(tǒng)性能節(jié)省生產(chǎn)成本具有重要意義。結(jié)合礦井技術(shù)條件與生產(chǎn)情況，衡量穩(wěn)定性與抗干擾等指標(biāo)后，本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC。該型號PLC 運(yùn)算速度快，可靠性高，是一種整體式結(jié)構(gòu)，保證它既可以單機(jī)運(yùn)行也可以增加擴(kuò)展模塊。本系統(tǒng)設(shè)置每個監(jiān)控分站控制5 個轉(zhuǎn)轍機(jī)，每個轉(zhuǎn)轍機(jī)4 個I/O 通信接口，輸出電壓為DC24 V，滿足傳感器需求。

圖2 監(jiān)控分站硬件組成

4 軟件程序的設(shè)計

井下監(jiān)控分站主要對運(yùn)輸信息進(jìn)行采集、通訊和控制，并與現(xiàn)場監(jiān)測傳感器等設(shè)備進(jìn)行連接。一方面不斷對自己轄區(qū)內(nèi)的機(jī)車信息、信號機(jī)信號、轉(zhuǎn)轍機(jī)信號、收信機(jī)車信號等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過優(yōu)先級控制策略對轉(zhuǎn)轍機(jī)與信號機(jī)等設(shè)備完成井下運(yùn)輸?shù)恼{(diào)控；另一方面將監(jiān)測的信息上傳井上監(jiān)控中心并接受所下發(fā)的調(diào)控命令。監(jiān)控分站所進(jìn)行的程序設(shè)計流程如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控分站主程序流程圖

5 結(jié)論

通過分析井下常見運(yùn)輸故障及原因并根據(jù)煤礦的軌道運(yùn)輸監(jiān)控的需求而設(shè)計的一套基于以太網(wǎng)的煤礦軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，分為井上監(jiān)控中心、井下監(jiān)控分站及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備等組成，井上與井下通過可靠性較高的工業(yè)以太網(wǎng)相連接。在井下通過現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備對機(jī)車速度、方向、位置等信息的采集，傳輸給監(jiān)控分站與地面監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化機(jī)車運(yùn)輸調(diào)控策略，從而完成對軌道運(yùn)輸狀態(tài)的監(jiān)控。該系統(tǒng)以PLC 控制為核心完成運(yùn)輸監(jiān)控，提升了煤礦軌道運(yùn)輸效率，具有很大的應(yīng)用前景。