某鐵礦井下電機(jī)車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳海軍 甘敏浩 吳大川 劉進(jìn)銘 朱小霖

(河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司常峪鐵礦)

隨著國內(nèi)外井下礦難安全事故頻發(fā)，安全工作壓力顯著加大。在能夠完成生產(chǎn)任務(wù)的情況下，盡量減少下井工作人員數(shù)量，可以減少事故造成的人員傷亡。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)與井下開采相結(jié)合，可以做到減員增效，有效提高礦山井下生產(chǎn)效率，降低人員傷亡率。

1 工程概況

某鐵礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵礦石550萬t，采出礦石塊度不大于850 mm，經(jīng)井下破碎后礦石粒度不大于240 mm，采出礦石平均品位為26%。根據(jù)鐵礦床地形地質(zhì)特征，結(jié)合礦山規(guī)模，經(jīng)方案比較，設(shè)計(jì)確定一期開采范圍為-100～-400 m礦體，采用主、副豎井開拓。二期開采范圍為-400～-500 m礦體，采用主斜坡道開拓系統(tǒng)。鐵礦設(shè)計(jì)有主井、副井、進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井各一條，輔助斜坡道一條。

運(yùn)輸系統(tǒng)一期采用有軌運(yùn)輸，井下采出的礦石通過有軌運(yùn)輸中段運(yùn)至主溜井，再進(jìn)入破碎系統(tǒng)，破碎后的礦石由主井箕斗提升至地表。井下共設(shè)置-425，-325，-225 m 3個(gè)有軌運(yùn)輸中段，首采運(yùn)輸中段為-425 m。

有軌運(yùn)輸線路主要采用上下盤沿脈加穿脈的環(huán)形運(yùn)輸線路，穿脈裝車；個(gè)別礦段采用脈外盡頭式運(yùn)輸線路，沿脈裝車。

設(shè)計(jì)采用30 t電機(jī)車牽引10輛10 m3底側(cè)卸式礦車運(yùn)輸?shù)V石，設(shè)計(jì)數(shù)量為4臺，3用1備；新水平開拓及廢石采用7 t電機(jī)車牽引12輛1.2 m3曲軌側(cè)卸式礦車運(yùn)輸，設(shè)計(jì)數(shù)量為3臺，2用1備。本文主要對30 t電機(jī)車無人駕駛進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 井下無人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)實(shí)施目標(biāo)

礦井有軌運(yùn)輸無人駕駛系統(tǒng)是以WiFi無線通信及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺，軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)為安全依托，采用井下機(jī)車精確定位技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)和礦井機(jī)車調(diào)度技術(shù)，井下電機(jī)車配有車載控制器，自主接收調(diào)度計(jì)算機(jī)分配的運(yùn)輸任務(wù)，獲悉路徑、區(qū)間、信號機(jī)序列等信息，通過對路況實(shí)時(shí)分析識別視頻信號，結(jié)合機(jī)車狀態(tài)、定位信息、調(diào)度設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行自主運(yùn)行調(diào)整、進(jìn)退向選擇、前方障礙識別、速度控制等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛[1-5]。

在裝礦環(huán)節(jié)，采用遠(yuǎn)程遙控裝礦控制；在架線供配電環(huán)節(jié)，可以采集牽引變電所電源工作參數(shù)，對整流柜、分區(qū)開關(guān)實(shí)施遠(yuǎn)程測控；同時(shí)，結(jié)合礦倉料位及轉(zhuǎn)運(yùn)情況，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)車的自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程裝礦操作控制。

2.2 系統(tǒng)主要功能

(1)聯(lián)鎖功能。電機(jī)車自動(dòng)控制系統(tǒng)必須保證多輛電機(jī)車安全、合理、高效地在軌運(yùn)行，要求多輛電機(jī)車之間有嚴(yán)密、合理的運(yùn)行邏輯關(guān)系，多輛電機(jī)車能夠順序裝礦、順序卸礦、不堵車、不追尾、交叉點(diǎn)不發(fā)生碰撞等，保證運(yùn)輸效率。

(2)監(jiān)測功能。地表控制中心監(jiān)測牽引變電所電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)參數(shù)和變壓器溫度參數(shù)，-425 m 運(yùn)輸巷道視頻，電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息，模擬顯示電機(jī)車動(dòng)態(tài)位置、軌線設(shè)備工作狀態(tài)。

(3)遙控駕駛。地表控制中心操作人員通過電機(jī)車操作臺對井下-425 m電機(jī)車進(jìn)行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等遠(yuǎn)程駕駛行為控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控駕駛。

(4)遙控裝礦。地表控制中心操作人員通過電機(jī)車操作臺上的放礦機(jī)操作手柄控制放礦作業(yè)，結(jié)合現(xiàn)場裝礦視頻實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確裝礦作業(yè)。

(5)自動(dòng)駕駛。電機(jī)車根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)運(yùn)輸計(jì)劃，按照指定的運(yùn)輸路線自動(dòng)行駛，電機(jī)車自動(dòng)駕駛過程中自動(dòng)進(jìn)行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等操作，無需人員操作。

2.3 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、遙控和手動(dòng)3種運(yùn)行模式。

(1)自動(dòng)模式。電機(jī)車根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)下達(dá)的生產(chǎn)運(yùn)輸計(jì)劃，按照指定的運(yùn)輸路線自動(dòng)行駛，無需人員操作。

(2)遙控模式。操作員通過地表控制中心操作臺遠(yuǎn)程駕駛電機(jī)車，遠(yuǎn)程操作放礦機(jī)，完成電機(jī)車運(yùn)行與裝礦控制操作。

(3)手動(dòng)模式。電機(jī)車司機(jī)在駕駛室就地操作電機(jī)車，電機(jī)車工作狀態(tài)既可以上傳，又可以脫離自動(dòng)控制系統(tǒng)，純手動(dòng)現(xiàn)場人工駕駛。

2.4 系統(tǒng)工作環(huán)境

工作溫度為0～40℃；工作濕度為5%～95%，不結(jié)露；大氣壓力為60～110 kPa；抗振、防潮、防塵，抗震設(shè)防烈度為7度；滿足國家規(guī)定的塵埃、照明、噪聲、電磁場干擾和接地條件。

2.5 主要控制設(shè)備

電機(jī)車井下無人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)由一套PLC控制系統(tǒng)組成，硬件部分主要由主控制器、無線通訊設(shè)備和車載控制設(shè)備組成，配合合理的軟件程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)車井下無人駕駛自動(dòng)控制功能。

2.5.1 主控制器

主控制器采用S7-400產(chǎn)品，設(shè)置在地表中心控制室，負(fù)責(zé)對機(jī)車編組調(diào)度及運(yùn)行線路選擇指揮，采集礦石溜井料位信號及牽引變電所設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，負(fù)責(zé)對各個(gè)放礦機(jī)的變頻控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車在指定的車場內(nèi)直線段自動(dòng)加速、轉(zhuǎn)彎自動(dòng)減速、卸礦限速運(yùn)行、遙控裝礦控制功能。在地表中心控制室為每臺電機(jī)車設(shè)置一個(gè)操作臺，每個(gè)操作臺設(shè)置1個(gè)操作員站、2個(gè)監(jiān)控顯示器和1個(gè)操作人機(jī)接口，負(fù)責(zé)單臺電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)測。

2.5.2 機(jī)載控制設(shè)備

電機(jī)車機(jī)載控制設(shè)備包括機(jī)載控制器、電機(jī)車變頻調(diào)速器、制動(dòng)設(shè)備、機(jī)載無線通訊設(shè)備、受電弓控制設(shè)備和操作臺人機(jī)接口等。

(1)機(jī)載控制器采用S7-1215C產(chǎn)品，負(fù)責(zé)電機(jī)車啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速和制動(dòng)等全部控制，并采集電機(jī)車所有運(yùn)行信號數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)、電壓、電流、頻率、速度、制動(dòng)設(shè)備狀態(tài)、通訊設(shè)備狀態(tài)等，同時(shí)輔助信號故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車高質(zhì)量自動(dòng)駕駛，并確保電機(jī)車運(yùn)行安全。

(2)電機(jī)車變頻調(diào)速器采用ACS880-01-246A-3產(chǎn)品，負(fù)責(zé)電機(jī)車主電機(jī)啟動(dòng)、停止、加速、減速控制，配合制動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電機(jī)車平穩(wěn)剎車。

(3)制動(dòng)設(shè)備接收機(jī)載控制器發(fā)出的剎車指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車安全剎車。

(4)機(jī)載無線通訊設(shè)備是通過布置在巷道中的無線通訊基站實(shí)現(xiàn)機(jī)載控制器與主控制器實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳輸，接收主控制器指令，反饋電機(jī)車運(yùn)行參數(shù)。

(5)操作臺人機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)車就地和遠(yuǎn)程操作轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)就地有人駕駛電機(jī)車運(yùn)行，又可以遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)運(yùn)行。操作臺面板包括電機(jī)車電源開關(guān)、放礦機(jī)電源開關(guān)、電機(jī)車急停按鈕、放礦機(jī)急停按鈕、電機(jī)車控制手柄、放礦機(jī)控制旋鈕、升降受電弓開關(guān)、電鈴按鈕、車燈開關(guān)、全半速開關(guān)等。

2.5.3 無線通信設(shè)備

在車場巷道內(nèi)設(shè)置多個(gè)無線通訊基站，采用西門子SCALANCE W-788工業(yè)級產(chǎn)品，各個(gè)無線通訊基站與機(jī)載無線通訊設(shè)備、轉(zhuǎn)轍機(jī)系統(tǒng)、區(qū)分開關(guān)系統(tǒng)建立通訊聯(lián)系，通過光纜與主控制器進(jìn)行通訊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)車高精度定位。

2.5.4 視頻監(jiān)控設(shè)備

關(guān)鍵部位安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控電機(jī)車、放礦機(jī)和卸載站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)位有電機(jī)車機(jī)頭前方、電機(jī)車受電弓、放礦點(diǎn)位、卸礦點(diǎn)位、車場各個(gè)點(diǎn)位、牽引變電所。

2.5.5 裝載站控制設(shè)備

設(shè)置10個(gè)裝載站遠(yuǎn)程IO站，輸入輸出模塊采用西門子ET200產(chǎn)品，置在每個(gè)溜井裝礦處，放礦機(jī)電控箱和溜井料位計(jì)接入到遠(yuǎn)程IO站。每臺放礦機(jī)電控箱帶3擋轉(zhuǎn)換開關(guān)，設(shè)有就地、檢修和遠(yuǎn)程3種工作方式。溜井料位計(jì)現(xiàn)場設(shè)有顯示界面，并負(fù)責(zé)將相關(guān)信號送至遠(yuǎn)程IO站。

2.5.6 卸載站控制設(shè)備

設(shè)置遠(yuǎn)程IO站，輸入輸出模塊采用西門子ET200產(chǎn)品，用于遠(yuǎn)程控制安全門、助力驅(qū)動(dòng)裝置、溜井料位計(jì)及噴霧降塵裝置。以上設(shè)備在礦石卸載過程中全自動(dòng)聯(lián)鎖動(dòng)作，也可現(xiàn)場手動(dòng)啟停。

2.5.7 牽引變電所控制設(shè)備

在每個(gè)牽引變電所放置一個(gè)控制分站，控制器采用S7-1215C產(chǎn)品，用于檢測隔離開關(guān)、斷路器狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制斷路器分合閘操作。

2.5.8 控制軟件

以西門子PCS7 V8.2為平臺對系統(tǒng)軟件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、開發(fā)及調(diào)試。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)保障措施及要求

3.1 運(yùn)行環(huán)境保障

(1)井下巷道環(huán)境多水，較潮濕，多粉塵，不利于電氣自動(dòng)化設(shè)備正常運(yùn)行。因此，有必要加強(qiáng)設(shè)備防護(hù)等級。井下電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)控制所需自動(dòng)化設(shè)備防護(hù)等級要求不低于IP65，即要求完全防止外物及灰塵侵入。

(2)井下巷道環(huán)境溫度范圍為15～25 ℃，電氣自動(dòng)化設(shè)備在0～40 ℃溫度范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行，在井下正常通風(fēng)情況下，環(huán)境溫度完全可以滿足自動(dòng)化設(shè)備正常運(yùn)行。

(3)井下巷道照明要求有軌運(yùn)輸車場按照正常照明設(shè)計(jì)，光照強(qiáng)度不低于30 lx；放礦裝車點(diǎn)和卸載站照明需要加強(qiáng)亮度，光照強(qiáng)度不低于100 lx；電機(jī)車車頭配有照明燈具，光照直線距離不小于40 m，便于查看前方路況。

3.2 電機(jī)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及調(diào)速要求

為了便于對電機(jī)車進(jìn)行自動(dòng)控制，要求電機(jī)車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用牽引變頻電機(jī)，采用變頻器調(diào)速，變頻器與電機(jī)車機(jī)載控制器通訊接口一致，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)車調(diào)速控制。

3.3 放礦機(jī)選型要求

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)裝礦，提高裝礦效率，要求放礦機(jī)選型及布置方式與礦車匹配，保證放礦機(jī)可以一次性裝滿一輛礦車而不需要礦車前后移動(dòng)，放礦機(jī)配套安裝液壓指狀閘門，便于放礦量的控制。初步設(shè)計(jì)的振動(dòng)放礦機(jī)為雙臺板，臺板寬2.4 m，而一輛10 m3礦車的長度為5.5 m，有效長度為4.3～4.4 m，初步設(shè)計(jì)放礦機(jī)不能滿足一次完成裝礦要求。經(jīng)過與放礦機(jī)廠家技術(shù)交流，對應(yīng)10 m3礦車，將放礦機(jī)設(shè)計(jì)成三臺板，臺板寬4.2 m，放礦機(jī)長4.5 m，高4 m，處理量為2 500 t/h，可以實(shí)現(xiàn)一次完成一輛礦車裝礦，提高整體裝礦效率。

3.4 有軌運(yùn)輸車場轉(zhuǎn)彎半徑要求

經(jīng)與電機(jī)車廠家技術(shù)交流，30 t電機(jī)車空載直線段最大運(yùn)行速度為25 km/h，電機(jī)車最小轉(zhuǎn)彎半徑為25 m，電機(jī)車不同的轉(zhuǎn)彎半徑通過的速度不同。綜合考慮電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)控制和有軌運(yùn)輸巷道建設(shè)投資，車場轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)為50 m，能夠保證電機(jī)車以合理的速度通過而不掉軌，保證運(yùn)輸效率。具體的不同轉(zhuǎn)彎半徑對應(yīng)的車速見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)彎半徑對應(yīng)車速

3.5 電機(jī)車剎車要求

30 t電機(jī)車平均運(yùn)行車速14～16 km/h，只采用機(jī)車制動(dòng)剎車距離為70～80 m，電機(jī)車機(jī)車和礦車同時(shí)制動(dòng)剎車距離為20 m。為了便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)控制，確保電機(jī)車在到達(dá)指定的停車點(diǎn)位提前做好自動(dòng)減速，保證電機(jī)車安全準(zhǔn)確停在指定停車位置，采用電機(jī)車機(jī)車和礦車同時(shí)制動(dòng)剎車。

4 應(yīng)用效果

初步設(shè)計(jì)電機(jī)車司機(jī)按照每列車每班2名司機(jī)，設(shè)置為4班，每班6人，共計(jì)電機(jī)車司機(jī)24人；初步設(shè)計(jì)放礦工設(shè)置為4班，每班4人，共計(jì)放礦工16人。實(shí)現(xiàn)井下電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)控制后，每列電機(jī)車每班設(shè)置一名遠(yuǎn)程監(jiān)控操作人員，負(fù)責(zé)監(jiān)控電機(jī)車自動(dòng)運(yùn)行和遙控裝礦操作，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)車司機(jī)減半，并取消井下所有放礦工。經(jīng)人工成本測算，每人每月按照收入8 250元計(jì)算，每年可以節(jié)約人工成本支出277.2萬元，實(shí)現(xiàn)減員增效。由于減少了運(yùn)輸系統(tǒng)下井工作人員數(shù)量，從而緩解了井下安全管理壓力，減少了安全培訓(xùn)管理成本，提高了安全效益。

5 結(jié) 語

通過井下電機(jī)車無人駕駛自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，做到了電氣自動(dòng)控制技術(shù)與電機(jī)車駕駛技術(shù)很好融合，實(shí)現(xiàn)井下電機(jī)車自動(dòng)控制及高效運(yùn)行，不但可以避免人工操作失誤，提高電機(jī)車整體運(yùn)行效率，而且可以減少下井工作人員數(shù)量，節(jié)約人工成本支出，緩解井下安全管理壓力。電機(jī)車自動(dòng)控制系統(tǒng)效果和效益明顯，值得在類似井下有軌運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用推廣。

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