煤礦軌道運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計及應用分析

吳旗開

（晉能控股煤業(yè)集團趙莊二號井， 山西 長治 046000）

引言

在我國大部分礦井作業(yè)過程中，軌道運輸是最為常見的輸送礦石及物料的一種方式。特別是使用時間超過額定年限的礦井，在礦井有限的空間中，巷道排布混亂，加上其中來往反復的運輸工作，假如沒有相關有效且可靠的監(jiān)控手段，不僅使礦下工人的人身安全得不到保障，而且非常容易發(fā)生脫軌、機車頂頭、追尾等嚴重的礦井交通災難。所以對軌道運輸在礦井下的安全保障運行進行研究是非常有必要的。

1 礦井原軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

通過對某礦井實際調查得出該礦井的深度為400 m，目前的實際作業(yè)深度為-375 m，礦井挖出的煤炭通過皮帶運輸機傳動到地面，其他物料裝備通過軌道運輸系統(tǒng)進行運輸，其作用是運出挖掘點的煤炭等礦料，同時將所需要的物料輸送至所需要繼續(xù)采掘的地方。在不斷進行作業(yè)的情況下，挖掘深度越來越深，所遇工況愈加復雜，且所鋪設的軌道交通愈來愈遠，工人們作業(yè)的安全風險隨之不斷上升，井下所需要的安全調控系統(tǒng)要求也越來越高。礦井原有的軌道運輸系統(tǒng)隨著作業(yè)深度的加深，急需進行改進[1-2]。

1）運輸機車無法準確定位。由于之前使用的監(jiān)控技術使用年限過長，加之井下復雜的作業(yè)環(huán)境，使得運輸機車無法配合監(jiān)控系統(tǒng)，屢屢出現(xiàn)定位不準等問題，給礦井采掘運輸工作造成很大麻煩。

2）運輸機車工況無法實時監(jiān)控。因為目前在井下多數(shù)的運輸機車中大部分都已超過額定的使用車齡，導致機車在運輸作業(yè)過程中故障頻發(fā)，軌道運輸系統(tǒng)還不能完全有效地及時監(jiān)控到機車突發(fā)狀況，故在這一方面還要進行很大的改進。

3）未實現(xiàn)智能化、可視化等監(jiān)控功能。目前，在礦下機車不能有效地納到監(jiān)控系統(tǒng)內，無法高效地智能化的進行運營，可視化監(jiān)控等功能尚未實現(xiàn)，嚴重影響了井下工作效率，工人的人身安全也不能得到有效的保障。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計

2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構設計

如圖1 所示，智能監(jiān)控系統(tǒng)依照井下設備層、地面監(jiān)控層、PLC 控制層結構設計。井下設備通過電路和網(wǎng)絡接入PLC 控制層，其中主要有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信號機、道岔指示器、電動轉轍機等組成。調度室中安放布置地面監(jiān)控層，其主要設備由打印機、數(shù)據(jù)服務器等組成。PLC 控制層的主要組成部分有一個控制主站和相關控制分站，這兩部分是整個設備系統(tǒng)的核心，作用是傳遞信息，與整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)直接相關[3-4]。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構設計示意圖

通過對礦井情況的實際調查，軌道運輸系統(tǒng)中至關重要的PLC 控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的基礎功能有：在機車運行時實時知道機車的位置及行進狀況，并能實現(xiàn)可視化監(jiān)控；在礦井工作時，有時根據(jù)需求需要對語音箱、道岔指示器等進行智能控制，下達相關指令等；另一方面，需要通過PLC 控制系統(tǒng)完成井下供電及通訊網(wǎng)絡的相關布置，實現(xiàn)信息的及時傳輸。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡構建及軟件設計

在整個軌道運輸調控系統(tǒng)中，主要的三個部分之間通過較高的數(shù)據(jù)傳輸速率實現(xiàn)指令收發(fā)、信息實時上傳等功能。通過在設備上應用西門子S7-1200 型PLC 的以太網(wǎng)接口，在交換機的作用下，轉換傳遞信號，構建起軌道運輸系統(tǒng)內部的以太網(wǎng)絡，以便實時監(jiān)控機車的運行狀況。為便于設備偶合對接以及支持S7-1200 型PLC 的編程組態(tài)，通過查找最終決定使用西門子STEP7-V13 編程軟件進行本軌道運輸系統(tǒng)軟件開發(fā)，即WINCC 計算機智能監(jiān)控軟件，主要包括監(jiān)控界面、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理三大模塊，如圖2 所示，可實現(xiàn)監(jiān)控操作、運行記錄、報表打印等功能。WINCC與PLC 控制主站在內部系統(tǒng)以太網(wǎng)中，通過IP 地址配置進行通信連接，實現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)關聯(lián)[5-6]。

圖2 控制系統(tǒng)工作流程示意圖

3 可實現(xiàn)的主要功能分析

根據(jù)礦井施工要求和作業(yè)環(huán)境，設計出配套的軌道運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)，并在井下實踐應用，實現(xiàn)設計預期的目標，多項指標達到相關標準，其中幾點功能介紹如下：

1）運輸機車精確定位及實時顯示。機車在井下工作時，由于其安裝有帶有信息的識別卡，在無線射頻技術和軌道計軸器的作用下，能夠實時定位每部機車的運行位置，而且通過可視化智能監(jiān)控，能夠直觀地了解機車的運行狀態(tài)，便于井下的調控和操作。

2）軌道道岔遠程控制功能。通過軌道運輸系統(tǒng)的可視化監(jiān)控，井下道岔的切換狀態(tài)可實時的以電子圖的形式直觀展現(xiàn)在計算機屏幕上，對道岔的切換實現(xiàn)了有效及時的控制，當進行遠程調度的時候，系統(tǒng)將自動對道岔進行閉鎖，防止不慎操作。

3）故障分析及應急處置功能。人身安全永遠是第一位的，特別是井下工作，安全風險很高，因此系統(tǒng)的應急處置能力至關重要。通過設備在井下的運行實踐后，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對軌道、電氣設備的不間斷監(jiān)控，若出現(xiàn)緊急情況，應急處置功能將立即采取措施，同時發(fā)出故障警報，確保系統(tǒng)的安全運行。

4）實時錄像功能。通過井上井下的數(shù)字攝像機監(jiān)控技術，能夠全天候的24 h 監(jiān)控系統(tǒng)及井下工作情況，并將數(shù)據(jù)上傳保存井上井下雙備份，數(shù)據(jù)保存時間至少7 d，在有需要時可隨時回放以往數(shù)據(jù)查看。

5）聯(lián)網(wǎng)管理功能。該軌道運輸系統(tǒng)在采用標準的網(wǎng)絡協(xié)議后，設置網(wǎng)絡接口接入環(huán)網(wǎng)或單獨組網(wǎng)，就可以在地面或井下監(jiān)控中心計算機屏幕展現(xiàn)清晰的視頻圖像，兩地同時實現(xiàn)實時監(jiān)控，方便領導在必要時準確掌握第一手決策信息，確保井下人車的安全管理。

6）Wi-Fi 通信兼容功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡作為一個開放的網(wǎng)絡，能夠允許存在其他Wi-Fi 信號的傳遞輸送，這就使井下Wi-Fi 的設置實現(xiàn)了可能，大大便利了井下的作業(yè)和系統(tǒng)的高效運行[7]。

4 實踐應用效果分析

如上所述將以上所設計的軌道運輸系統(tǒng)在井下付諸實踐1 年后，各部分運行情況基本良好，沒有出現(xiàn)太大的問題。其具體應用效果如下：

1）通過網(wǎng)絡設計實現(xiàn)了井下軌道運輸?shù)闹悄芑刂?，由于智能化控制使得機車的安全運行得到了很大保障，發(fā)生事故的概率減小，交通事故嚴重減少，生產及運輸效率極大提高，整個系統(tǒng)直觀可控，運行良好。

2）軌道運輸系統(tǒng)實現(xiàn)智能化控制，使得井下的各部分工作可在有需要時隨時進行調控，并能實時地通過數(shù)據(jù)攝像機技術實現(xiàn)可視化監(jiān)控，尤其是要實現(xiàn)遠程智能化控制井下的設備和車輛，使其安全高效的運行，該技術水平的實現(xiàn)極大地提升了在該行業(yè)的競爭力。

5 結語

通過該礦井軌道運輸系統(tǒng)的升級改造，至今該系統(tǒng)在運行過程中沒有出現(xiàn)太大的故障問題，運行狀況一直保持良好，其中通過可視化智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下機車的實時動態(tài)監(jiān)控，在道岔切換，車輛合理調配等發(fā)揮了至關重要的作用，大大提高了井下生產運輸效率。同時使整個系統(tǒng)操作簡便，穩(wěn)定性及礦井工作能力大大提高。