基于智能終端的安全高效牽引軌道式設(shè)備列車及在線防跑車系統(tǒng)

劉艷東

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦管理處，陜西 神木 719300）

作為國(guó)家基礎(chǔ)性的化石能源，煤炭一直以來(lái)都扮演著舉足輕重的角色。井工煤礦綜采工作面在回采過程中依然受地質(zhì)構(gòu)造的影響，兩順槽有明顯地起伏和變坡，尤其是布置設(shè)備列車的巷道，在回采過程中需要不斷頻繁移動(dòng)設(shè)備列車。以往拉設(shè)備列車操作方式是由一名絞車司機(jī)在大絞車旁使用三聯(lián)按鈕操作，實(shí)現(xiàn)絞車前進(jìn)、后退、快速、慢速，皮帶沿線站人，通過頭燈晃擺來(lái)傳遞信號(hào)，以此來(lái)保證作業(yè)的安全。在設(shè)備車運(yùn)行過程中，絞車司機(jī)受巷道照明、距離、起伏等條件的限制，發(fā)現(xiàn)問題往往靠燈光信號(hào)一個(gè)一個(gè)接力傳遞給絞車司機(jī)，來(lái)達(dá)到信息傳遞，效率低下，且安全沒有保障。

目前國(guó)內(nèi)煤礦綜采工作面采用以往牽引設(shè)備列車的方式，在傳遞信號(hào)的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不及時(shí)、或者誤傳遞信號(hào)的現(xiàn)象，不能實(shí)時(shí)掌握設(shè)備列車的運(yùn)行情況，這樣在拉設(shè)備的過程中存在極大的安全隱患。為了保證設(shè)備列車正常運(yùn)行，往往要派專人對(duì)設(shè)備列車進(jìn)行實(shí)時(shí)跟車，這樣就造成一定的安全隱患，設(shè)備列車運(yùn)行中如果脫軌、翻車、跑車、斷繩，將會(huì)對(duì)跟車人員及巷道內(nèi)的人員產(chǎn)生極其不利的后果。如聯(lián)系不及時(shí)，絞車不能及時(shí)停止，或在巷道有坡度的情況下在拉動(dòng)設(shè)備時(shí)，因?yàn)榱熊囍亓υ黾訕O易導(dǎo)致列車在拉動(dòng)行進(jìn)過程中造成向前或向后跑車、或損壞列車上的設(shè)備或拽松設(shè)備電纜插頭，其維修時(shí)間長(zhǎng)、成本高，而且影響生產(chǎn)。同時(shí)，在移動(dòng)列車周圍作業(yè)，還存在嚴(yán)重的安全隱患，比如：人員登高作業(yè)有跌落的風(fēng)險(xiǎn)；人員輔助拉移列車有被列車擠傷的風(fēng)險(xiǎn)；人員有多人作業(yè)配合不當(dāng)，信號(hào)傳遞不及時(shí)、不暢通，或傳遞錯(cuò)誤導(dǎo)致人員受傷等。

為了實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面設(shè)備列車的牽引即拉即停，沿線任何人員隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問題能即刻停止絞車的牽引，通過集思廣益研究出智能終端安全高效牽引軌道式設(shè)備列車。同時(shí)還設(shè)計(jì)研究了列車防跑車系統(tǒng)，使列車在跑車起步時(shí)就能有效地進(jìn)行防跑，防止發(fā)生跑車事故。

1 智能終端安全高效牽引軌道式設(shè)備列車的研究

隨著煤礦開采技術(shù)的數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化和智能化，全國(guó)先進(jìn)的煤礦井下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4G網(wǎng)絡(luò)，防爆智能終端已全員投入使用中。人們開始研究怎么利用先進(jìn)的智能終端技術(shù)來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)或數(shù)據(jù)上傳。使用電子設(shè)備來(lái)取代紙質(zhì)檢修工單或?qū)崿F(xiàn)視頻記錄檢修質(zhì)量及內(nèi)容，做到檢修的可視化、可控化、記錄可實(shí)時(shí)查詢功能。最終，經(jīng)過多方人員的共同努力，研究了一種利用井下防爆智能終端來(lái)控制牽引絞車，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)綜采工作面的軌道設(shè)備列車的遷移，很好地解決了由于巷道起伏、燈光信號(hào)不清晰、傳遞信號(hào)不暢等因素帶來(lái)的一系列問題。

由于煤礦技術(shù)的發(fā)展，為了更好地全面實(shí)現(xiàn)采煤的信息化、自動(dòng)化、智能化，設(shè)備列車上的設(shè)備越來(lái)越多，一個(gè)綜采工作面的設(shè)備列車有時(shí)長(zhǎng)達(dá)200 m，為了能實(shí)現(xiàn)列車的安全高效牽引，設(shè)計(jì)人員編制了控制絞車牽停的APP程序。在牽引絞車、設(shè)備列車段及單軌吊順槽設(shè)置了6臺(tái)無(wú)線基站（絞車處1臺(tái)，列車頭部1臺(tái)，中部2臺(tái)，列車尾部1臺(tái)，自移機(jī)尾1臺(tái)），每臺(tái)基站的輻射范圍為60 m。同時(shí)設(shè)備列車段配5臺(tái)防爆蓄電池（列車頭部1臺(tái)，中部2臺(tái)，列車尾部1臺(tái)，自移機(jī)尾1臺(tái)，絞車處的基站電源使用開關(guān)電源輸出127 V）給無(wú)線基站提供電源。為了安全高效地牽引或停止絞車，牽引列車時(shí)配備8臺(tái)防爆智能終端分別由7個(gè)人持有（大絞車處1臺(tái)，絞車與列車間1臺(tái)，列車頭1臺(tái)，中部2臺(tái)，列車尾部1臺(tái)，單軌吊電纜中間1臺(tái)，自移機(jī)尾1臺(tái)）。如圖1所示。這套利用智能終端來(lái)自動(dòng)控制設(shè)備列車的牽引系統(tǒng)的成功試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了絞車的自動(dòng)控制，解決了牽引設(shè)備列車時(shí)人員信號(hào)傳遞不暢或信號(hào)傳遞錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤動(dòng)作最終導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至嚴(yán)重的造成人員傷亡的問題。這套智能終端的投入使用，使設(shè)備列車的牽引變得非常輕松、可靠、簡(jiǎn)單、高效。使井工煤礦在設(shè)備列車牽引技術(shù)方面成功邁出了一大步。這套系統(tǒng)的研究及成功，使?fàn)恳O(shè)備列車從源頭上做到了本質(zhì)安全?；鶎邮褂迷撓到y(tǒng)的一線員工表示，系統(tǒng)非常好，智能終端的操作既簡(jiǎn)單又可視化，既高效又靈敏；得到了基層區(qū)隊(duì)長(zhǎng)及礦領(lǐng)導(dǎo)的高度贊揚(yáng)和大力支持。全國(guó)井工煤礦對(duì)設(shè)備列車的牽引控制均可以使用它，該系統(tǒng)具有很好的普及和推廣的意義。

圖1 軌道式設(shè)備列車智能終端

2 設(shè)備列車在線防跑車系統(tǒng)的研究

當(dāng)今的煤炭生產(chǎn)自動(dòng)化水平不斷提高的同時(shí)，開采煤礦時(shí)的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)上的安全也越來(lái)越得到人們的重視。煤礦生產(chǎn)有著它自身的獨(dú)特之處，尤其是井下極為復(fù)雜的地質(zhì)條件，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了很多的不利，由此導(dǎo)致了事故的發(fā)生，所以這就對(duì)設(shè)備列車防跑車的安全問題提出了很高的要求，必須做到安全高效牽引至合適的位置，列車的防跑系統(tǒng)一定要做成在線能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)能實(shí)現(xiàn)傳感、防跑阻尼。

利用智能終端控制設(shè)備列車的高效安全牽引已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，為了解決設(shè)備列車存在跑車的這個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)問題，排除牽引列車的安全隱患，使綜采設(shè)備列車能安全高效地牽引至合適的位置，技術(shù)人員又研究了一套設(shè)備列車實(shí)時(shí)在線防跑車系統(tǒng)。

（1）后退式防跑車裝置：設(shè)備列車連接板之間加防后退式阻尼槽鋼扒手，這種槽鋼扒手在設(shè)備列車段安裝6組。當(dāng)設(shè)備列車向前牽引時(shí)若突然發(fā)生后退或溜車時(shí)，本裝置支撐件著地端就會(huì)觸碰到軌道枕鐵上，其反向阻力就會(huì)相應(yīng)增大阻止列車后移，這樣就實(shí)現(xiàn)了設(shè)備列車牽引時(shí)防止后退溜車造成設(shè)備或人員受傷的高風(fēng)險(xiǎn)。

（2）前進(jìn)式防跑車裝置：在設(shè)備列車頭部、中部（2臺(tái)）、尾部安裝無(wú)線分站和防爆蓄電池板車的連接板處，安裝電磁吸盤、速度傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、特制的阻尼伸縮油缸、液壓?jiǎn)蜗蜴i、油缸可調(diào)定的安全閥，手柄操縱閥等。

2.1 設(shè)備列車前進(jìn)式防跑阻尼裝置原理

速度傳感器≥1.5 m/s時(shí)（列車上安裝的速度傳感器相對(duì)列車固定軌道的速度），智能終端APP程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)停止絞車牽引，同時(shí)列車4組速度感應(yīng)裝置同步動(dòng)作，信號(hào)轉(zhuǎn)換器接收到斷電信號(hào)，電磁吸盤即刻斷電，電磁吸盤斷電失去吸力，釋放可伸縮阻尼油缸，阻尼油缸一頭落地，此時(shí)油缸活塞桿頭頂住軌道枕鐵，開始阻尼跑起來(lái)的列車，直至列車停止；當(dāng)油缸內(nèi)腔壓力過大，達(dá)到安全閥開啟壓力時(shí)，安全閥開啟，保護(hù)油缸。當(dāng)列車停車后，給系統(tǒng)送電，開啟乳化液泵，操作油缸手柄操作閥，完全收回阻尼油缸活塞桿，完全釋放板車與軌道枕鐵之間的相對(duì)壓力，再次伸出油缸活塞桿，電磁吸盤吸住油缸活塞桿，做好下一次阻尼動(dòng)作。這套設(shè)備列車前進(jìn)式防跑車阻尼裝置的設(shè)計(jì)，從源頭上、本質(zhì)安全上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)防跑車控制，杜絕了設(shè)備列車跑車可能造成的設(shè)備損壞或人員傷亡，如圖2所示。

圖2 防跑阻尼裝置圖

在日常設(shè)備列車靜止的時(shí)間段，可斷開電磁吸盤的電源，釋放油缸活塞桿，實(shí)現(xiàn)列車靜止?fàn)顟B(tài)下的前進(jìn)式阻車的效果。這套設(shè)備列車前進(jìn)式防跑車阻尼裝置與后退式防跑車裝置聯(lián)合作用，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下設(shè)備列車的阻車效果。這樣就取代了目前大多數(shù)煤礦使用的板車輪轂前后安裝的簡(jiǎn)易阻車器。這種聯(lián)合阻車裝置形成的系統(tǒng)取代傳統(tǒng)阻車器，保證設(shè)備列車不跑車且安全高效的運(yùn)行，做到了本質(zhì)安全，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)檢測(cè)模塊

本課題設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)采用兩個(gè)位置傳感器取監(jiān)測(cè)設(shè)備電機(jī)同軸金屬轉(zhuǎn)盤上的金屬節(jié)點(diǎn)，而后把金屬節(jié)點(diǎn)的檢出個(gè)數(shù)信息反饋至主控制芯片內(nèi)，主控制芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行后續(xù)操作過程。為了增強(qiáng)本文防跑車系統(tǒng)的適用性，不建議應(yīng)用常規(guī)的地面設(shè)備，所以選用歐姆龍廠家制造的本安型位置傳感器，其也被叫做接近開關(guān)。該傳感器的檢測(cè)距離是14 mm，誤差是10%，檢測(cè)物體以磁性金屬為主，設(shè)定距離0～11.2 mm，鐵30 mm*30 mm*1 mm是標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物體。在選用接近開關(guān)環(huán)節(jié)中，一定要注意到如下這個(gè)問題：本課題設(shè)計(jì)應(yīng)用的接近開關(guān)型號(hào)為NPN型。主要原因是當(dāng)由信號(hào)被觸發(fā)時(shí)，信號(hào)線的輸出OUT與地GND安全連接，在這樣的工況下等同于輸出線OUT是低電平，信號(hào)傳輸反復(fù)需要進(jìn)到單片機(jī)的中斷接口，而單片機(jī)的中斷接口自身為低電平有效，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用的是NPN型接近開關(guān)。

2.2.2 顯示模塊

本次課題設(shè)計(jì)中，針對(duì)由傳感器傳送而來(lái)的信號(hào)，一定要將其直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，工作人員在早期一定要設(shè)定幾個(gè)數(shù)值，這幾個(gè)值額度作用主要是和傳感器傳送過來(lái)的信號(hào)做對(duì)比分析，進(jìn)而調(diào)控系統(tǒng)后續(xù)動(dòng)作執(zhí)行情況，并且也要求直觀的呈現(xiàn)出這幾個(gè)值?？紤]到經(jīng)濟(jì)性原則及系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性，通常選擇四位數(shù)碼管。

（1）參照既往大量實(shí)際案例后決定選用74HC238芯片，選擇其的原因主要有兩點(diǎn)，一是提升防抱死系統(tǒng)在特殊工況下的耐用性，并配置應(yīng)用三極管以給數(shù)碼管位選端提供充足的電流，確保系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。三極管自身的另一端要有高電平方能正常導(dǎo)通，所以設(shè)計(jì)中采用了譯碼芯片。二是通過使用74HC238芯片，可以利用其順利的連接后8位的位選，且該芯片的輸出恰好為8位，而輸入只有3位，有助于節(jié)省資源。

（2）顯示模塊硬件電路。本課題設(shè)計(jì)中，需要將兩個(gè)數(shù)碼管的8位位選銜接至74HC238的8位輸出端，實(shí)質(zhì)上就是Y0-Y7。A0，A1，A2依次和單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2連接，會(huì)在外部呈現(xiàn)出僅有8個(gè)段選引腳。這8個(gè)段選端依次和單片機(jī)的P0.0-P0.7連接，中間添加了220Ω的上拉電阻，以防因局部電流過大而燒損數(shù)碼管，如圖3所示。

圖3 顯示模塊的硬件電路

2.2.3 電源模塊

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了DC12V和DC5V電源。DC12V為接近開關(guān)供電。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)配置了單片機(jī)及很多邏輯芯片，故需要DC5V進(jìn)行供電。本課題設(shè)計(jì)應(yīng)用了外部開關(guān)電源供電，分析為實(shí)現(xiàn)PCB板的整體性與安裝過程的便捷性，盡量在一塊PCB板上集成所有部件，而整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中需要兩種不同電源的支持，故而應(yīng)用7805穩(wěn)壓芯片把DC12V電壓轉(zhuǎn)變成DC5V，借此方式為PCB板提供DC5V電源，DC12V電源是外部開關(guān)供給的。

2.2.4 控制模塊

在本文設(shè)計(jì)內(nèi)，當(dāng)檢出接近開關(guān)傳送的信號(hào)時(shí)，主控芯片便會(huì)智能對(duì)比信號(hào)與前期存儲(chǔ)于芯片中的數(shù)據(jù)，以此為據(jù)確定后續(xù)是否操作繼電器的動(dòng)作過程，如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

2.2.5 調(diào)節(jié)模塊

在防抱死系統(tǒng)運(yùn)行的早期，相關(guān)人員需要設(shè)定幾個(gè)固定值去和傳感器傳送的信號(hào)進(jìn)行比較分析。但是以上這幾設(shè)定值并不是設(shè)定后就不允許做改動(dòng)的。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)作環(huán)境的不確定性造成一次試驗(yàn)結(jié)束后不一定就能得到確定的結(jié)果，故而需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有針對(duì)性的調(diào)控設(shè)定值。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)單片單片機(jī)時(shí)，最常用的調(diào)節(jié)設(shè)備就是鍵盤，其有造價(jià)成本低，功能實(shí)現(xiàn)快捷、精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)共計(jì)用到了4個(gè)獨(dú)立按鍵，三個(gè)非自鎖式，另一個(gè)自鎖式。以上兩種不同形式的差異可以作出如下闡述：非自鎖式僅是于按下的一剎那導(dǎo)通，松開后自動(dòng)斷開；而自鎖式按下以后會(huì)始終導(dǎo)通，再次按下才方能轉(zhuǎn)變成斷開狀態(tài)。設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)，非自鎖式用在調(diào)節(jié)設(shè)定值大小與切調(diào)不同設(shè)定值的環(huán)節(jié)中，自鎖式則被用在進(jìn)入調(diào)節(jié)模式方面。

2.2.6 主控芯片的最小系統(tǒng)

（1）振蕩器：振蕩器為單片機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)作的必需條件之一，若其工作狀態(tài)異常，那么防抱死系統(tǒng)就不能按照設(shè)計(jì)模式運(yùn)作。運(yùn)行不規(guī)則是振蕩器的常見異常，此時(shí)系統(tǒng)容易出現(xiàn)時(shí)間上誤差或更為嚴(yán)重的時(shí)間混亂，影響電路的通信過程。本文設(shè)計(jì)采用的振蕩器是由晶體振蕩器于兩個(gè)瓷片電容（C1，C2）構(gòu)成的，C1，C2分別接單片機(jī)的XTAL1，XTAL2引腳，在電路系統(tǒng)內(nèi)晶振和瓷片電容均沒有正負(fù)極之分。

（2）復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)正常運(yùn)作時(shí)，能夠給復(fù)位引腳發(fā)送一個(gè)連續(xù)性的低電平信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)復(fù)位，在這樣的工況下不管系統(tǒng)運(yùn)行到任何程度，均會(huì)重新開始啟動(dòng)。上電復(fù)位是常見的復(fù)位形式，在系統(tǒng)剛一通電時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)瓷片電容間存在著電荷震蕩，這樣給系統(tǒng)一個(gè)時(shí)間很短的低電平。

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今科技高速發(fā)展的大背景下，煤礦井下的機(jī)械化水平也在逐步提高，煤礦井下輔助運(yùn)輸?shù)陌踩笤絹?lái)越嚴(yán)格。煤礦井下綜采工作面的列車遷移及防跑車控制方面的要求也越來(lái)越高。但在設(shè)備列車的牽引控制及防跑車措施及控制方面做的工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到位，不能從本質(zhì)安全上來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車牽引的絕對(duì)安全。列車溜車、跑車、掉道事故還是頻發(fā)，列車發(fā)生的小事故是對(duì)設(shè)備或運(yùn)輸皮帶造成了毀壞，嚴(yán)重事故就會(huì)造成人員的傷亡。煤礦井下綜采工作面龐大的設(shè)備列車牽引，長(zhǎng)期受巷道的起伏和變坡因素影響，還列車過長(zhǎng)、傳遞信號(hào)不暢等因素的制約，使設(shè)備列車牽引的安全隱患一直長(zhǎng)期存在且風(fēng)險(xiǎn)非常大。但通過利用智能終端APP控制絞車，使龐大的設(shè)備列車牽引從源頭上實(shí)現(xiàn)了高效安全地運(yùn)行，同時(shí)還通過速度傳感器裝置實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)停止智能終端絞車APP系統(tǒng)。與此同時(shí)，通過速度傳感器裝置還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備列車前進(jìn)式在線防跑車和后退式防跑車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后，該防跑車系統(tǒng)取代了列車靜止?fàn)顟B(tài)下使用的阻車器。

基于智能終端安全高效牽引軌道式設(shè)備列車及設(shè)備列車在線防跑車系統(tǒng)的研究，完全符合當(dāng)前形勢(shì)下創(chuàng)新創(chuàng)效的大背景，完全跟上了煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展節(jié)奏，對(duì)今后井工煤礦軌道式設(shè)備列車的發(fā)展起到了積極的作用，具有極大的推廣和應(yīng)用意義。