行洛坑鎢礦有軌電機(jī)車無(wú)人駕駛系統(tǒng)

王錦勝

(寧化行洛坑鎢礦有限公司，福建寧化 365400）

1 項(xiàng)目現(xiàn)狀

寧化行洛坑鎢礦采用露天開采方式， 設(shè)計(jì)規(guī)模為原礦處理量5 kt/d。 該礦采用溜井裝礦、平硐開拓有軌運(yùn)輸和底側(cè)式卸礦等方式將原礦裝運(yùn)并卸至選廠。 其生產(chǎn)工藝流程為:采場(chǎng)內(nèi)原礦由自卸汽車卸入溜井，溜井下設(shè)有帶控制閘門的重型振動(dòng)給礦機(jī)，向有軌電機(jī)礦車給礦。 20 t 電機(jī)車雙機(jī)牽引10 m3底側(cè)卸礦車前往選廠，經(jīng)卸載曲軌卸入粗碎原礦倉(cāng)。礦石裝載點(diǎn)和卸載點(diǎn)均僅有1 個(gè)， 列車運(yùn)行距離2.27 km，運(yùn)輸線路上共設(shè)置6 個(gè)換向道岔，運(yùn)輸線路如圖1 所示。

有軌運(yùn)輸配置有5 臺(tái)電機(jī)車，4 臺(tái)工作，1 臺(tái)備用。電機(jī)車為20 t 電阻調(diào)速式電機(jī)車，直流550 V 供電，氣動(dòng)剎車，受電弓為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)升降。 有軌電機(jī)車無(wú)人駕駛系統(tǒng)建設(shè)前，該礦采用人工現(xiàn)場(chǎng)控制振動(dòng)給礦機(jī)裝礦，人工駕駛有軌電機(jī)車至粗碎原礦倉(cāng)卸礦。每臺(tái)電機(jī)車需配1 名電機(jī)車司機(jī)和1 名放礦工，通過(guò)相互配合完成電機(jī)車裝礦、行車、卸礦過(guò)程。 這種人工方式易造成裝礦效率低下及裝載異常等問(wèn)題，且存在很大的安全隱患。

圖1 運(yùn)輸線路及基站布置示意

基于上述問(wèn)題，并結(jié)合相關(guān)工藝流程，該礦提出采用有軌電機(jī)車無(wú)人駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、有軌電機(jī)車無(wú)人駕駛自動(dòng)運(yùn)行及全自動(dòng)卸礦[1-2]等功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行（ATO/ATP）、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、信集閉控制、自動(dòng)卸礦、視頻監(jiān)控及控制中心等子系統(tǒng)組成：1）地面遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)（設(shè)置在控制中心)和裝礦站PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合裝礦區(qū)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 可實(shí)現(xiàn)控制中心通過(guò)操作臺(tái)遠(yuǎn)程放礦功能。2）電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行(ATO/ATP)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制有軌電機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。 該系統(tǒng)硬件主要由車載控制單元、通信模塊、定位模塊、電源模塊及視頻攝像機(jī)等組成。 3）通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，集有線和無(wú)線多種通信方式于一體。其中，有線通信由千兆光纖工業(yè)環(huán)網(wǎng)組成，作為主干網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。 無(wú)線通信由Wi-Fi基站（AP）和車載通信模塊組成。 在電機(jī)車運(yùn)行線路上布置基站（AP），實(shí)現(xiàn)運(yùn)行線路Wi-Fi 信號(hào)全覆蓋；基站實(shí)時(shí)接收電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行單元（ATO/ATP）數(shù)據(jù)，最終通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。4）信集閉控制系統(tǒng)用于統(tǒng)一調(diào)度電機(jī)車運(yùn)行路線和作業(yè)順序， 根據(jù)信號(hào)聯(lián)鎖規(guī)則，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號(hào)燈的動(dòng)作，同時(shí)可規(guī)劃電機(jī)車裝礦和卸礦溜井的目標(biāo)位置。 系統(tǒng)由操作臺(tái)和控制分站組成， 其中操作臺(tái)設(shè)置在控制中心，配置工業(yè)控制及管理計(jì)算機(jī)，用于對(duì)系統(tǒng)操作控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢及報(bào)表管理打??；控制分站設(shè)置在轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號(hào)燈附近， 為PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)。5）電機(jī)車采用底側(cè)式卸礦方式，操作人員只需控制電機(jī)車運(yùn)行速度，勻速經(jīng)過(guò)卸載站，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸礦功能。在卸礦站設(shè)置料位監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)控原礦倉(cāng)相關(guān)情況。6）在運(yùn)輸線路重要區(qū)域、裝礦站、 卸礦站及電機(jī)車等處根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置視頻攝像機(jī)，全程監(jiān)控電機(jī)車裝礦、行車、放礦過(guò)程。7）控制中心設(shè)置在卸礦站附近， 配置數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)服務(wù)器、視頻存儲(chǔ)服務(wù)器、控制操作臺(tái)、自動(dòng)調(diào)度操作臺(tái)、工業(yè)交換機(jī)和大屏顯示等設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、控制及顯示。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 有軌電機(jī)車無(wú)人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

3 地面遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng)

在裝礦站設(shè)置PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)1 套，將振動(dòng)給礦機(jī)的電氣控制信號(hào)接入至PLC；在地面控制中心設(shè)置遠(yuǎn)程操作臺(tái)（含遠(yuǎn)程遙控放礦與遙控電機(jī)車多功能于一體）；放礦口處設(shè)置2 臺(tái)視頻攝像機(jī)。 裝礦PLC 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作臺(tái)和視頻攝像機(jī)均通過(guò)以太網(wǎng)接入主干通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制中心上位機(jī)和裝載站下位機(jī)間的通信。

當(dāng)電機(jī)車駛?cè)胙b礦站時(shí)， 系統(tǒng)自動(dòng)切換至裝礦站處視頻圖像，操作員通過(guò)遠(yuǎn)程觀察放礦視頻圖像，操作電機(jī)車及振動(dòng)放礦機(jī)作業(yè)， 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)對(duì)位→開啟放礦機(jī)→關(guān)閉放礦機(jī)→步進(jìn)對(duì)位操作工序， 保證遠(yuǎn)程控制連續(xù)裝礦，且裝礦高度不超過(guò)警戒線，實(shí)現(xiàn)安全、高效裝礦。

4 電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)

電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)包含整個(gè)運(yùn)輸線路通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、無(wú)線信號(hào)覆蓋、轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號(hào)燈控制、重要區(qū)域視頻監(jiān)控以及機(jī)車本體改造等內(nèi)容。

4.1 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)

通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)由主干網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線Wi-Fi 基站和車載通信模塊組成。

1）主干網(wǎng)絡(luò)。在控制中心、硐口配電室及裝載站均設(shè)置1 臺(tái)千兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)， 硐室內(nèi)交換機(jī)選用礦用本安型設(shè)備。 為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠和穩(wěn)定性，采用環(huán)形方式構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳見圖2 所示。 系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)方式通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心。

2）無(wú)線Wi-Fi 基站。 為保證電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行安全，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)車精確定位，并保證車載通信模塊和基站之間的實(shí)時(shí)不間斷通信，所以無(wú)線信號(hào)需要無(wú)死角覆蓋整個(gè)運(yùn)輸線路。 根據(jù)運(yùn)輸線路的實(shí)際情況以及每臺(tái)基站覆蓋距離， 整個(gè)運(yùn)輸線路共設(shè)置24 臺(tái)礦用本安基站，每個(gè)基站含2 h 備用電源模塊，布置示意圖詳見圖1 所示。無(wú)線基站接收電機(jī)車車載設(shè)備的各項(xiàng)信息，包括電機(jī)車車號(hào)、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、故障信息、各種運(yùn)行狀態(tài)以及車載視頻圖像等?；就ㄟ^(guò)光纜接入主干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制中心和基站之間的通信。 為保證機(jī)車定位精度的進(jìn)一步提高，在關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置信標(biāo)器，用于特定點(diǎn)的車列位置標(biāo)定和行車?yán)锍绦拚?/p>

3）車載通信模塊。 為每臺(tái)電機(jī)均安裝1 套車載通信模塊，由工業(yè)級(jí)交換機(jī)和無(wú)線通信模塊組成，布置在電機(jī)車車頭處。 前端車載控制單元和車載視頻圖像接入工業(yè)級(jí)交換機(jī)， 通過(guò)無(wú)線通信模塊將相關(guān)車載數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至布置在運(yùn)輸線路上的基站。

4.2 電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行（ATO/ATP）單元

行洛坑鎢礦電機(jī)車現(xiàn)采用串電阻調(diào)試方式，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無(wú)人駕駛及遠(yuǎn)程遙控功能， 需要對(duì)機(jī)車本體改造。 改造內(nèi)容主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)改為斬波調(diào)速、受電弓改為氣動(dòng)升降控制、增加機(jī)車速度檢測(cè)、ATO/ATP 自動(dòng)駕駛保護(hù)裝置的更換。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)改為斬波調(diào)速方式后，牽引力增大，工作效率提高，從啟動(dòng)到全速能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，有效地保護(hù)了機(jī)車機(jī)械系統(tǒng)， 同時(shí)也保障了電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控的平穩(wěn)運(yùn)行。 改造的機(jī)車可實(shí)時(shí)采集包括機(jī)車運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、各種運(yùn)行狀態(tài)等信息。

在機(jī)車內(nèi)增加定位模塊，與無(wú)線基站、信標(biāo)器配套使用能實(shí)現(xiàn)機(jī)車精準(zhǔn)定位。 在機(jī)車內(nèi)設(shè)置電源模塊，保證在停電情況下可再持續(xù)工作2 h。 在每臺(tái)電機(jī)車前后車頭分別安裝1 臺(tái)視頻攝像機(jī)， 實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中路況的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

無(wú)人駕駛電機(jī)車控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程遙控過(guò)程中，實(shí)時(shí)地對(duì)電機(jī)車自身控制系統(tǒng)開放自我保護(hù)功能[3]，包括機(jī)車本體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控， 實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否異常（電機(jī)車氣缸內(nèi)供氣壓力、控制電源、通信故障及車輛失控等），判斷道岔是否滿足行車條件以及防止車輛之間發(fā)生碰撞等[4]。 同時(shí)，需要對(duì)受電弓等所有硬件設(shè)備遠(yuǎn)程遙控，防止人為誤操作造成設(shè)備損壞。

為了便于操作人員遠(yuǎn)程操控電機(jī)車， 機(jī)車運(yùn)行設(shè)置定速巡航、裝礦定速巡航、裝礦自動(dòng)對(duì)車、自動(dòng)運(yùn)行、受電弓自動(dòng)升降等多種模式。

4.3 信集閉控制

信集閉控制實(shí)現(xiàn)3 種控制模式（閉鎖控制、半閉鎖控制、解鎖控制）。 閉鎖控制通過(guò)派配礦系統(tǒng)指令對(duì)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，為正常生產(chǎn)使用模式；半閉鎖控制即人工派車，下發(fā)派車指令后系統(tǒng)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號(hào)燈， 供臨時(shí)調(diào)整作業(yè)計(jì)劃使用；解鎖控制，即全系統(tǒng)手動(dòng)運(yùn)行，操作人員現(xiàn)場(chǎng)控制轉(zhuǎn)轍機(jī)與信號(hào)燈，供檢修等特殊情況使用。

系統(tǒng)由操作臺(tái)和控制分站組成。 運(yùn)輸線路上共用6 個(gè)換向道岔，相應(yīng)配置6 套控制分站。地面控制中心的操作臺(tái)全程跟蹤運(yùn)輸列車運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)車的實(shí)際位置；控制分站控制開放信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)道岔，檢測(cè)進(jìn)路。 當(dāng)控制分站、道岔或傳感器等設(shè)備發(fā)生本體或通信故障時(shí)， 相關(guān)信號(hào)顯示應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為關(guān)閉信號(hào)或約定警示信號(hào)，確保轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)的主動(dòng)控制以及電機(jī)車的安全運(yùn)行。 操作臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)顯示列車在運(yùn)輸巷道位置、列車序號(hào)、車速及信號(hào)燈、道岔和軌道占用情況，自動(dòng)記錄運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)，生成管理報(bào)表。

5 全自動(dòng)卸礦系統(tǒng)

電機(jī)車駛?cè)胄遁d站前， 控制中心操作人員控制電機(jī)車運(yùn)行速度， 保證電機(jī)車勻速經(jīng)過(guò)卸載站的曲軌卸礦裝置，完成自動(dòng)卸礦流程。在卸礦站的原礦倉(cāng)安裝雷達(dá)料位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原礦倉(cāng)料位，防止原礦倉(cāng)內(nèi)礦物排空或溢出，同時(shí)結(jié)合卸礦站處視頻攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程卸礦監(jiān)控。

6 控制中心

控制中心包括調(diào)度系統(tǒng)臺(tái)、操作控制臺(tái)、視頻顯示終端、服務(wù)器系統(tǒng)等設(shè)備，如圖3 所示。

圖3 控制中心實(shí)際情況

1）調(diào)度系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行狀態(tài)信息的顯示。 操作人員能夠通過(guò)上位畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所有設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。

2）電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控與遠(yuǎn)程放礦通過(guò)操作控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)配置了控制單元，用于采集操作臺(tái)內(nèi)所有開關(guān)以及手柄的信息，并將操作指令上傳，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能。 工控機(jī)編寫上位畫面，顯示電機(jī)車、放礦機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、 報(bào)警信息等所有數(shù)據(jù)。 通過(guò)上位畫面，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控與遠(yuǎn)程放礦。

3） 視頻顯示終端包括在操作控制臺(tái)上配2 臺(tái)顯示屏和1 個(gè)操作面板以及1 套LCD 拼接屏。 顯示屏與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和裝礦控制上位監(jiān)控畫面相連，操作面板與自動(dòng)控制系統(tǒng)相連。 操作人員可切換調(diào)出查看系統(tǒng)所有視頻圖像。

4）服務(wù)器包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工控服務(wù)器以及視頻服務(wù)器， 實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所有關(guān)鍵參數(shù)以及視頻信息。 工控服務(wù)器能夠訪問(wèn)井下所有控制器，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

7 結(jié)語(yǔ)

目前，該系統(tǒng)已建設(shè)完成，并投入正常使用1年。對(duì)照系統(tǒng)設(shè)置前后，各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本都得到了改善，操作班組定崗人員系統(tǒng)建設(shè)前需要5 人，系統(tǒng)建設(shè)后只需3 人；放礦操作時(shí)間原需16.5 min，現(xiàn)需要17 min；運(yùn)輸操作時(shí)間原需28 min，現(xiàn)需要17 min；卸礦操作時(shí)間2.5 min 不變；每趟車組平均運(yùn)輸能力原為165 t，現(xiàn)為150 t；每趟車組最大運(yùn)輸能力原為170 t，現(xiàn)為 165 t；每天平均運(yùn)輸能力（3 班）原為 5 280 t，現(xiàn)為 5 700 t；每天最大運(yùn)輸能力（3 班）原為 5 440 t，現(xiàn)為6 270 t。 由上述數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在保證產(chǎn)能的同時(shí)，可有效優(yōu)化人員配置，改善作業(yè)人員工作環(huán)境。 提升生產(chǎn)安全水平。