煤礦電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案研究

李 瑩 李 松 李 響

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司田陳煤礦，棗莊 277523）

我國是動(dòng)力生產(chǎn)煤大國，自產(chǎn)煤每年超37 億t，煤炭用量較多，因此對(duì)煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)輸提出了更高要求?，F(xiàn)階段，井下機(jī)械化設(shè)備完善，基本實(shí)現(xiàn)電機(jī)車運(yùn)輸，但是由于運(yùn)行環(huán)境惡劣、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，僅靠人員駕駛操作容易出現(xiàn)運(yùn)輸事故。煤礦電機(jī)車運(yùn)輸中，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)需要去人工化，采取科學(xué)合理的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)車自動(dòng)化運(yùn)輸。

1 煤礦電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 機(jī)車驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電機(jī)車自動(dòng)化運(yùn)輸中，其加減速、停車能否精準(zhǔn)控制與采礦運(yùn)輸安全息息相關(guān)，因此需要提高電機(jī)車的可靠性。電機(jī)車主要采取變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以滿足電機(jī)車的運(yùn)行要求[1]。

1.2 機(jī)車控制技術(shù)

電機(jī)車運(yùn)輸中，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在保證可靠安全的基礎(chǔ)上減少人員勞動(dòng)量，需要安裝智能控制系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。第一，自動(dòng)保護(hù)功能。電機(jī)車能夠根據(jù)運(yùn)輸線路道路調(diào)整運(yùn)行速度或自行終止運(yùn)行，以免發(fā)生追尾、碰撞摩擦等事故。第二，按照指令自動(dòng)駕駛。電機(jī)車配置智能功能，使其接收到調(diào)度指令時(shí)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)程序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車裝卸、停車、升降、鳴笛、減速、加速、剎車和緊急制動(dòng)等功能。第三，多種控制方式，主要包括人工操作、自動(dòng)控制、遙控控制等。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，選擇恰當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ?，以適應(yīng)遠(yuǎn)程控制、人工操作、設(shè)備巡檢需求等[2]。第四，電壓適應(yīng)范圍?？紤]地下運(yùn)輸線路較長(zhǎng)，存在較大電壓波動(dòng)，變頻器需要適宜0～550 V的電壓環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，滿足作業(yè)要求。

1.3 特殊傳感器

電機(jī)車運(yùn)輸中為實(shí)現(xiàn)防撞、防超速等功能，需要分析運(yùn)輸環(huán)境，如果存在減振性差、精度低、線路岔道彎道多等情況，則會(huì)影響運(yùn)行效果。因此，電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)應(yīng)增加超聲波收發(fā)檢測(cè)、霍爾傳感器、Bumblebee2 相機(jī)、視頻監(jiān)控、聲光報(bào)警裝置及射頻識(shí)別檢測(cè)等特殊傳感器，準(zhǔn)確檢測(cè)周圍運(yùn)輸環(huán)境。

2 煤礦電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì)原則

電機(jī)車是井下重要運(yùn)輸設(shè)備，面對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境，需要結(jié)合機(jī)車驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)、特殊傳感器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。以5 t 蓄電池電機(jī)車為例，其額定電壓為90 V，容量為385 A·h，最大牽引力為14.2 kN，額定速度為8 m·s-1，最高速度為14 m·s-1。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)能夠接收電機(jī)車反饋，顯示電機(jī)車的行駛方向、速度、電壓狀態(tài)等信息，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)車狀態(tài)。系統(tǒng)構(gòu)建無線平臺(tái)，傳達(dá)驅(qū)動(dòng)電機(jī)車指令，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)車的運(yùn)行，控制其加減速、啟停運(yùn)動(dòng)，做到防撞、防追尾、防超速和機(jī)車定位。電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 電機(jī)車安全防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)設(shè)計(jì)需兼顧可擴(kuò)展性和可靠性。一方面，可擴(kuò)展性。在智慧礦山建設(shè)下，對(duì)電機(jī)車自動(dòng)化提出要求。為推動(dòng)智能化電機(jī)車的發(fā)展，安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要預(yù)留可擴(kuò)展接口和系統(tǒng)升級(jí)空間。另一方面，可靠性。電機(jī)車工作環(huán)境惡劣，為確保設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，安全防護(hù)系統(tǒng)必須具備可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制器及傳輸數(shù)據(jù)平臺(tái)優(yōu)化運(yùn)行環(huán)境[4]。

2.2 運(yùn)輸安全防護(hù)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 防撞、防追尾

防撞、防追尾設(shè)計(jì)中，要求電機(jī)車運(yùn)輸煤炭時(shí)檢測(cè)兩輛車間距是否在預(yù)設(shè)距離值以內(nèi)，若小于預(yù)設(shè)距離值則觸發(fā)報(bào)警，傳遞信息至監(jiān)控調(diào)度中心下達(dá)減速/剎車指令，以免發(fā)生相撞、追尾等事故[5]。該功能模塊采取Bumblebee2 相機(jī)，每秒可生成100 萬3D 點(diǎn)，能夠適應(yīng)電機(jī)車速度。相機(jī)參數(shù)如下：焦距25 mm，基線120 mm，幀率48 f·s-1，像素640×480，接口1394。

獲取相機(jī)圖像數(shù)據(jù)后，利用1394 接口與以太網(wǎng)將信息傳輸至計(jì)算機(jī)。由于左右相機(jī)輸入功能自動(dòng)同步，可以減少計(jì)算深度誤差。翻轉(zhuǎn)、平移坐標(biāo)系，以光點(diǎn)為原點(diǎn)，轉(zhuǎn)換為相機(jī)坐標(biāo)系。標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

拍攝照片后，利用直方圖增強(qiáng)圖像，解決井下光照不足的情況，使得每個(gè)灰度值占比更為均勻。通過直方圖均衡和灰度化處理，能夠提高電機(jī)車檢測(cè)準(zhǔn)確率與效率。通過超聲波測(cè)距系統(tǒng)確定機(jī)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、初始位置和時(shí)間，計(jì)算機(jī)車坐標(biāo)系，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下準(zhǔn)確界定各電機(jī)車的位置，判斷兩輛電機(jī)車車距，控制車距處于安全距離。

2.2.2 防超速

電機(jī)車運(yùn)輸煤炭時(shí)，運(yùn)行速度過快將產(chǎn)生超速脫軌事故。通過防超速功能模塊設(shè)計(jì)，發(fā)生超速情況后，車載監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制調(diào)速器減小運(yùn)行速度，維護(hù)機(jī)車運(yùn)行安全。該模塊中設(shè)置接收裝置與發(fā)射裝置，接收模塊安裝在車頭內(nèi)，發(fā)射模塊安裝在運(yùn)輸關(guān)鍵環(huán)節(jié)。防超速工作原理如圖2 所示。

接收模塊包括聲光報(bào)警器、霍爾傳感器、智能轉(zhuǎn)速表和直流變換器等，礦用直流變換器將運(yùn)輸巷內(nèi)550 V 直流電轉(zhuǎn)換成24 V 直流電，為智能轉(zhuǎn)速表與霍爾傳感器提供電源。智能轉(zhuǎn)速表自帶12 V 電源，為接收端無線遙控器提供電源，而且自帶KM1與KM2繼電器控制聲光報(bào)警器開關(guān)。智能轉(zhuǎn)速表上有速度測(cè)量值、確認(rèn)/設(shè)定鍵、繼電器指示燈、增加鍵和選位鍵等，調(diào)整設(shè)定狀態(tài)與測(cè)量狀態(tài)能夠顯示線速度、轉(zhuǎn)速、頻率等參數(shù)值。為提高顯示速度的精準(zhǔn)度，在電機(jī)車車軸上安裝4 個(gè)磁片，每旋轉(zhuǎn)1 周能夠輸入多個(gè)脈沖值。結(jié)合煤礦安全規(guī)定，設(shè)定KM1報(bào)警速度為2 m·s-1。發(fā)射模塊由集成電路芯片、直流變換器和降壓電阻等構(gòu)成?？紤]井下蓄電能力與安全性不足，優(yōu)化電池電源，制作穩(wěn)壓濾波電路，使得各模塊正常工作，保證發(fā)現(xiàn)電機(jī)車超速后能夠迅速啟動(dòng)聲光報(bào)警，控制車速。

2.2.3 機(jī)車定位

礦井運(yùn)輸線路較多、覆蓋范圍廣泛，容易出現(xiàn)運(yùn)輸事故，特別是電機(jī)車一旦開出，難以更改調(diào)度指令，必須建立定位通信系統(tǒng)，保證生產(chǎn)安全。該定位監(jiān)控系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)機(jī)（通信節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)）、視頻系統(tǒng)、射頻識(shí)別等多個(gè)環(huán)節(jié)，能夠收集電機(jī)車加速度及方向信息，利用位移算法獲得位移、速度參數(shù)。在監(jiān)控系統(tǒng)中配置無線語音通信模塊，準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控中采取組態(tài)軟件，利用下位機(jī)與串口通信，在監(jiān)控畫面中顯示電機(jī)車的運(yùn)行情況。電機(jī)車運(yùn)行區(qū)域軌道呈紅色，無車區(qū)域軌道呈黑色，即將運(yùn)行電機(jī)車區(qū)域軌道呈黃色。另外，該系統(tǒng)能模擬井下巷道情況，把控電機(jī)車信息。

3 煤礦電機(jī)車運(yùn)輸安全防護(hù)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用研究

3.1 利用安全控制系統(tǒng)

煤礦電機(jī)車運(yùn)行時(shí)，將安全控制系統(tǒng)輸入電機(jī)車程序，利用機(jī)車定位、防撞、防追尾、防超速功能，將井下電機(jī)車運(yùn)行速度、方向等以視頻、圖片的形式傳輸至調(diào)度中心，由調(diào)度中心下達(dá)調(diào)度指令與控制指令，保證運(yùn)行的安全性。

3.2 機(jī)車設(shè)備連接檢查機(jī)制

在電機(jī)車運(yùn)行中，為發(fā)揮安全防護(hù)系統(tǒng)作用，需要做好設(shè)備連接檢查工作，提高電機(jī)車質(zhì)量。首先，把控備品備件質(zhì)量，禁止使用不合格部件。以電機(jī)車動(dòng)輪為例，僅使用原廠新動(dòng)輪，以免多次返修。其次，加強(qiáng)設(shè)備連接日常點(diǎn)檢，如轉(zhuǎn)向架上下拱板等，如果出現(xiàn)開裂需要全套換新，不能使用電焊焊接。拱板變形需要調(diào)校，避免影響機(jī)車運(yùn)行。最后，電機(jī)車車輪軸承潤滑不良、卡死不轉(zhuǎn)，需要進(jìn)入修車庫修理，以免車輪長(zhǎng)期與鋼軌道摩擦造成磨損變形，或因高溫摩擦改變材料性質(zhì)，導(dǎo)致輪面破裂引發(fā)事故。

3.3 優(yōu)化安全信號(hào)及預(yù)警機(jī)制

電機(jī)車運(yùn)行中受人力、設(shè)備等多因素影響容易出現(xiàn)事故，應(yīng)立足安全防護(hù)系統(tǒng)，遵循安全第一、預(yù)防為主的原則，優(yōu)化安全信號(hào)與預(yù)警機(jī)制。一方面，要優(yōu)化安全信號(hào)，將電機(jī)車事故嚴(yán)重程度分為多個(gè)等級(jí)。最嚴(yán)重事故為紅色，代表可能出現(xiàn)人員傷亡；二級(jí)事故為橙色，代表可能出現(xiàn)財(cái)務(wù)損失；三級(jí)事故為黃色，代表將會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行。借助不同安全信號(hào)，提前預(yù)測(cè)可能的事故，做好電機(jī)車調(diào)度工作。另一方面，要優(yōu)化預(yù)警機(jī)制，利用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)發(fā)布預(yù)警信息至調(diào)度平臺(tái)與監(jiān)控室，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。按照安全信號(hào)等級(jí)調(diào)配應(yīng)急資源，包括設(shè)備物資、救援隊(duì)伍等，保證有效、迅速應(yīng)對(duì)電機(jī)車運(yùn)輸事故。

3.4 安全防護(hù)統(tǒng)計(jì)及設(shè)備維護(hù)

電機(jī)車安全運(yùn)行中，可以利用安全防護(hù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)事故頻率、解決方案、可能事故等，確定設(shè)備、部件及系統(tǒng)潛在的安全問題，對(duì)其進(jìn)行管理維護(hù)。同時(shí)，要結(jié)合防護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)優(yōu)化相關(guān)系統(tǒng)，以滿足煤礦電機(jī)車的安全運(yùn)輸要求。

4 結(jié)語

煤礦電機(jī)車運(yùn)輸過程中，容易出現(xiàn)追尾碰撞、超速脫軌等安全事故，不僅會(huì)損壞電機(jī)車，還會(huì)威脅人員生命安全，影響煤礦正常生產(chǎn)運(yùn)營。因此，煤礦電機(jī)車需要具備防撞、防追尾、防超速、機(jī)車定位等安全防護(hù)功能，并從利用安全控制系統(tǒng)、機(jī)車設(shè)備連接檢查機(jī)制、優(yōu)化安全信號(hào)及預(yù)警機(jī)制、安全防護(hù)統(tǒng)計(jì)及設(shè)備維護(hù)等方面出發(fā)，合理應(yīng)用安全防護(hù)系統(tǒng)，保證電機(jī)車運(yùn)行的安全性。