煤礦井下電機車運輸監(jiān)控技術的應用與發(fā)展

黃河， 曾鵬， 王信， 劉福華， 黃光平

（1.宜賓職業(yè)技術學院，四川宜賓644003；2.川煤集團芙蓉杉木樹礦業(yè)公司，四川宜賓644500）

1 引言

井下電機車運輸是煤礦重要而且必要的運輸方式之一。國內(nèi)外大量實踐早已證明：軌道機車的運輸效率和經(jīng)濟效益不僅取決于機車、線路等方面的因素，而且在很大程度上取決于監(jiān)控系統(tǒng)的功能?！睹旱V安全規(guī)程》中規(guī)定［1］：“在新建和改擴建的大型礦井井底車場的運輸大巷，都應設有信號集中閉塞系統(tǒng)”（即“信集閉”系統(tǒng)）。同時，建立可靠、穩(wěn)定的“信集閉”系統(tǒng)，實現(xiàn)信號采集、進路開放、道岔轉換，也是合理調(diào)度機車、提高運輸效率、保證煤礦生產(chǎn)安全、實現(xiàn)井巷運輸現(xiàn)代化的重要途徑。

井下運輸?shù)摹靶偶]”技術系統(tǒng)主要包括三大部分［2］：一是各種信號的顯示，供司機和調(diào)度員了解線路開通與機車運行狀態(tài)；二是各信號之間與電動轉轍機之間的互相連鎖，以防止誤操作，保證行車安全；三是設在調(diào)度室的模擬顯示集中控制盤，集中控制和監(jiān)督電機車運行。

“信集閉”技術在我國發(fā)展歷史較長、型式多種多樣。盡管多年來對煤礦井軌道運輸“信集閉”系統(tǒng)不斷進行研究，但目前尚未有明顯效果［3］。因此，本文通過剖析“信集閉”技術發(fā)展歷程，跟蹤最新技術前沿，探討煤礦井電機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術和發(fā)展趨勢，對于研究和開發(fā)新型的煤礦井電機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

2 “信集閉”技術的發(fā)展歷程

“信集閉”技術主要經(jīng)歷了繼電器邏輯控制、可編程序控制器（PLC）控制及計算機控制三個階段［4，5］。

2.1 繼電器邏輯控制

第一代“信集閉”系統(tǒng)出現(xiàn)在1960年代，它采用以硬接線邏輯為主要特征的繼電器邏輯控制。相對于人工調(diào)度、人工扳岔，雖然能提高運輸效率，安全和節(jié)省勞力等，但設備故障多，可靠性差，尤其是隨著使用年限的增加因元器件老化或機械觸點磨損導致機械故障率和電氣故障率驟升，系統(tǒng)運行效率低下，安全事故頻發(fā)。且因系統(tǒng)結構復雜，現(xiàn)場不易維護，更新?lián)Q代困難，因此未能推廣應用［5］。

2.2 PLC控制

1980年代以來，以PLC控制為主的“信集閉”系統(tǒng)逐漸取代繼電器邏輯控制。它采用軟接線邏輯控制，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性；但在整體結構、控制方式、信息傳輸?shù)确矫嫒詿o法突破繼電器控制模式，不能從根本上解決繼電器控制的痼疾。例如以梯形圖為基礎的控制方式在繼電器原理圖的基礎上演變而來，智能化水平較低；信息的傳輸方式仍然是點對點，耗費大量電纜；顯示方式仍然是模擬盤，顯示信息量小，無法滿足實時監(jiān)控的需要；系統(tǒng)的適應性和靈活性較差，致使整個系統(tǒng)性價比過低，不利于推廣普及［3］。

2.3 計算機控制

隨著微電子技術、檢測技術和網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，計算機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從DDC（直接數(shù)字控制）到DCS（集散控制系統(tǒng)）和FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的發(fā)展歷程。DCS是目前正被廣泛使用的一種信集閉系統(tǒng)，如KJ15A礦井軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)，它把多個控制分站分散到現(xiàn)場，實現(xiàn)了地面主控室對井下機車運輸?shù)膶崟r監(jiān)控和自動調(diào)度，其控制靈活性大大增強，但仍然存在許多缺點［6］。

FCS興起于1990年代，它突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡的局限，采用了開放式、標準化的通信技術，把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶實現(xiàn)一對多的信號傳輸，進一步簡化了DCS的系統(tǒng)結構，形成了全分布式的系統(tǒng)構架，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。FCS被稱為21世紀的工業(yè)控制網(wǎng)絡標準，在礦井運輸監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。

3 典型運輸監(jiān)控系統(tǒng)及其應用

目前各大礦井軌道運輸監(jiān)控以DCS系統(tǒng)為主，如KJ15A、KJ221、KJ293、KJ562 等［7，8］。KJ562 系統(tǒng)基于工業(yè)以太網(wǎng)，采用分布式結構，以地面調(diào)度站取代井下調(diào)度站，以多屏LCD或CRT顯示器取代模擬盤，采用柔性調(diào)度算法實現(xiàn)機車自動化調(diào)度。該系統(tǒng)能實時顯示井下大巷電機車的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，并傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室；機車自動調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)自動扳岔、切換中樞、開放信號機，并自動封鎖敵對進路，確保機車安全運行，降低了操作人員的勞動強度，大大提高了機車的運輸效率。系統(tǒng)主要設備包括地面管理主機及軟件、井下以太網(wǎng)交換機、井下監(jiān)控分站、轉轍機控制器、井下防爆兼本安直流穩(wěn)壓電源、信號燈、位移傳感器等。

4 關鍵技術及發(fā)展趨勢

4.1 電機車運輸監(jiān)控中存在的主要問題

煤礦井下運輸“信集閉”系統(tǒng)是提高礦井運輸能力，保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)能的重要手段，在一些自動化程度較高的大中型礦井中逐漸普及。但大多數(shù)中小型礦井還處于人工扳岔狀態(tài)，調(diào)度員不能即時掌握機車運行動態(tài)；且井下常年潮濕、粉塵嚴重、電磁干擾強等，不適宜安裝常規(guī)鐵路信號裝置［9］。井下機車運輸能力一直都是提高礦井安全生產(chǎn)效能的重要制約因素。

我國煤礦井下電機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、現(xiàn)代化進程與國外還有很大差距。目前在大中型礦井中使用的國產(chǎn)KJ15A、KJ221等系列礦井機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)，采用多層總線星型混合結構的二層網(wǎng)絡，能實現(xiàn)機車的運輸監(jiān)控、調(diào)度和信號顯示，但是仍然無法滿足最新煤礦井安全生產(chǎn)要求以及規(guī)范。歸納起來主要包括以下三個方面：

（1）信號采集、傳輸及抗干擾能力：在“信集閉”系統(tǒng)中，信號的采集是最關鍵的，也是最頻繁的。傳感器的準確性、穩(wěn)定性、可靠性以及信號傳輸?shù)膶崟r性及抗干擾能力，是電機車運輸監(jiān)控的重要基礎。對于大范圍分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及輔助設施施工不但增加成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。

（2）智能優(yōu)化調(diào)度問題：由于井下岔道復雜，機車運輸任務繁重，極易造成翻車、出軌、追尾、對撞、撞人等安全事故。因此，對電機車進行實時定位及自動優(yōu)化調(diào)度非常重要，將直接影響運輸安全和經(jīng)濟效益。

（3）開放性及擴展能力：隨著礦井的不斷開采，井下軌道運輸必須不斷拓展，這就要求運輸監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的擴展能力和可集成性，而現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)兼容性很差。

4.2 電機車運輸監(jiān)控關鍵技術及發(fā)展趨勢

電機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及到傳感檢測、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡通訊、智能控制等關鍵技術。

（1）傳感檢測技術：從我國“信集閉”的發(fā)展來看，過去所用的信號采集器件主要有：輔助導線、水銀開關、超聲、無線感應等。但這些采集元件均因可靠性差和維護量大等逐漸被淘汰。現(xiàn)在通過大量實驗和不斷摸索，一種磁感應式的無源干簧管以其采集信號的可靠性高、安裝方便、維護量小正被普遍采用。

（2）視頻監(jiān)控技術：目前國內(nèi)煤礦井下裝備的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ28和KJ32兩種型號，用光纜作為傳輸介質(zhì)，一路圖像傳輸占用一根光纖，圖像不能在現(xiàn)有的監(jiān)測監(jiān)控通信網(wǎng)絡平臺上同時傳輸。也可以采用慣性導航技術實現(xiàn)井下機車的精確定位，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)機車位置和運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和實時模擬［10］。

（3）工業(yè)網(wǎng)絡通訊技術：現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)是目前工業(yè)控制中的首選通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線具有良好的開放性、互操作性和系統(tǒng)結構的高度分散性，但傳輸距離受限；工業(yè)以太網(wǎng)傳輸距離遠、速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡的無縫連接，但現(xiàn)場傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差。根據(jù)煤礦井下機電運輸?shù)奶攸c和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰聼o線傳輸、多點射頻通信技術［11］是底層數(shù)據(jù)集成的關鍵；地面調(diào)度和實時監(jiān)控及其與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的聯(lián)接是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然要求。因此基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的通信技術在煤礦井下機車運輸監(jiān)控中具有廣闊的應用前景。

（4）智能控制技術：近年來，人工智能技術在工業(yè)控制中應用日益廣泛。在機車調(diào)度和系統(tǒng)故障診斷中可引入人工智能技術，實現(xiàn)機車的智能優(yōu)化調(diào)度，從而提高機車運輸效率；通過建立故障專家?guī)?，模擬神經(jīng)網(wǎng)絡，增強系統(tǒng)的自診斷和自學習能力，提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性。

4 結語

隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，各種技術的融合應用，在現(xiàn)有基礎上研究開發(fā)新型的煤礦井電機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)，建立功能更加完善和運行更加智能化的“信集閉”系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦井電機車運輸?shù)膶崟r監(jiān)控、智能調(diào)度和故障處理，對于保障機車運行的安全性、提高煤礦生產(chǎn)效率、降低勞動強度，實現(xiàn)煤礦井的全面數(shù)字化和現(xiàn)代化具有非常重要的現(xiàn)實意義。

［1］ GB/T 16179-1996，煤炭安全規(guī)程［S］.

［2］ 馬征途.信、集、閉在煤礦機電運輸方面的作用［J］.中小企業(yè)管理與科技，2011（9）：266.

［3］ 華鋼，張君.一種新型礦井軌道運輸信集閉系統(tǒng)［J］.煤礦機電，2007（4）：72-75.

［4］ 張君，華鋼.新型信集閉系統(tǒng)的構建及其實現(xiàn)［J］.煤礦機械，2007（7）：143-145.

［5］ 華鋼，左明，蘭獻宸.KJ14-A軌道運輸信集閉系統(tǒng)［J］.煤炭科學技術，1993（12）：49-52.

［6］ 張海明.一種新型煤礦"信集閉"系統(tǒng)的研究［D］.青島：山東科技大學，2009：3-4.

［7］ 王軍平.KJ15A礦井機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)的應用［J］.煤礦機械，2006（1）：162-163.

［8］ 吳同性，王泰民.KJ293型礦井機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)在軌道運輸中的應用［J］.礦山機械，2010（4）；80-81.

［9］ 梁吉勝，王奇，張樂.關于KJ2010型礦井機車運輸集中監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的研制與應用［J］.礦業(yè)工程，2011（2）：67-68.

［10］ 王鑫.基于精確定位技術的煤礦井下電機車監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2010：12-28.

［11］ 李英建.煤礦井下機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術研究［D］.青島：山東科技大學，2009：27-29.