礦井斜巷運輸嵌入式隱藏擋車系統(tǒng)研究

陳天航

摘 要：針對煤礦井下斜巷運輸系統(tǒng)事故尤其是跑車事故多發(fā)現(xiàn)象，通過對斜巷運輸系統(tǒng)特點分析，應(yīng)用電動、氣動驅(qū)動和計算機控制技術(shù)，研制了遠距離嵌入式隱藏防跑車系統(tǒng)，其在多個煤礦應(yīng)用，有效防止并杜絕了斜巷跑車事故的發(fā)生，為煤礦運輸尤其是斜巷運輸安全做出了貢獻。

關(guān)鍵詞：礦井；斜巷運輸；嵌入式；擋車系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.046

1 前言

煤礦井下運輸包括，井筒提升，大巷運輸、不同水平工作面之間的斜巷運輸。在這些運輸中，軌道運輸及其安全非常重要。另外，由于煤礦井下斜巷由于空間小、工作環(huán)境惡劣等，成為煤礦井下運輸中的事故多發(fā)區(qū)域，而斜井運輸事故中最為嚴重的事故之一就是斜巷跑車事故[1]。雖然經(jīng)過煤礦運輸系統(tǒng)廣大工程技術(shù)人員的多年不懈努力，煤礦斜巷安全防護得到了一定的改善，但仍存在著許多不安全因素[2]，因此，杜絕煤礦斜巷運輸?shù)呐苘囀鹿?，是保證煤礦斜巷軌道運輸安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[3]。針對以上問題，安徽理工大學(xué)與淮北礦業(yè)集團合作，研制了遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)，有效防止并杜絕了此類事故的發(fā)生，為煤礦運輸尤其是斜巷運輸安全做出了貢獻。

2 遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)工作原理

嵌入式防跑車裝置根據(jù)煤礦井下斜巷現(xiàn)場的實際情況，在礦車軌道布設(shè)一些傳感器，一旦礦車到達相應(yīng)位置，其傳感器動作，可編程控制器檢測到傳感器的信號，通過軟件對信號進行分享判斷，再根據(jù)情況決定氣控閥的開閉和保險擋的自動起落。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)?shù)V車正常下行時，當(dāng)行駛至測速區(qū)速度傳感器（此速度傳感器由A、B兩個霍爾傳感器構(gòu)成）區(qū)間，霍爾傳感器將速度等信號發(fā)生給可編程控制器的CPU，PLC的CPU通過檢測的速度判斷礦車的速度是否在正常范圍，若礦車的速度低于設(shè)定的閾值，可編程控制器將觸發(fā)氣控閥動作，從而使得保險擋落下并保持該狀態(tài)，若礦車的實際速度超過了設(shè)定的閾值并繼續(xù)運行，常閉擋車器就不會動作，此時將發(fā)出報警信號并反饋給絞車司機，從而預(yù)防事故的發(fā)生。此時往下運行的礦車通過位置傳感器C（一個霍爾傳感器）時，位置傳感器C的信號不產(chǎn)生命令。上行時，當(dāng)?shù)竭_位置傳感器C時，位置傳感器C檢測到礦車通過，并發(fā)出信號傳遞給可編程控制器， PLC的控制器CPU觸發(fā)電磁氣控閥動作，保險擋升起，PLC控制器觸發(fā)氣控閥動作保持保險擋常閉。

3 嵌入式隱藏擋車系統(tǒng)主要特點

把傳統(tǒng)的被動防跑和主動監(jiān)控兩者有機的結(jié)合，設(shè)計一套新型煤礦斜巷防跑車系統(tǒng)，同時具有自動報警和自我檢測的功能。根據(jù)前面所述的斜井跑車事故原因、斜井防跑車技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和礦區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點：

（1）采用可編程控制器（PLC）控制。采用可編程控制器控制斜巷跑車防護裝置實現(xiàn)礦車速度檢測、控制擋車器的動作、系統(tǒng)故障報警等多重保護功能，實現(xiàn)礦車的實時監(jiān)控和防護。在礦車工作在正常運行速度下，嵌入式防跑車這種的保險擋提升、落下；當(dāng)?shù)V車的運行速度超過一定限制，也就是判斷為跑車狀態(tài)時，此時嵌入式防跑車的保險擋拒動。

（2）該嵌入式遠程防跑車的擋車裝置自動化程度高，減輕了工作人員的勞動強度，提高了運輸效率。

（3）遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)還具有擋車器狀態(tài)監(jiān)視、語言報警等功能。

（4）遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)具有自動和手動功能，檢修方便、安全可靠。

（5）遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)能夠杜絕主觀因素和客觀因素等造成的各類事故發(fā)生。

（6）整個系統(tǒng)簡單，制作成本低，制作和安裝工藝簡單。

4 遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車控制系統(tǒng)設(shè)計

遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車控制系統(tǒng)由5部分構(gòu)成： 包括測速裝置、視頻監(jiān)控裝置、氣動驅(qū)動裝置、隱式車擋機構(gòu)和控制裝置等，如圖2所示。

4.1 霍爾傳感器測速裝置

霍爾測速傳感器一般都安裝在煤礦井下運輸軌道外側(cè)，在礦車的車廂上安裝磁性材料。當(dāng)?shù)V車通過時，磁場發(fā)生變化，從而使得霍爾速度傳感器檢測出礦車的運行速度?；魻枩y速傳感器之所以在煤礦井下得到應(yīng)用，是因為其具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)安裝方便、分辨能力強、抗粉塵、潮濕、抗干擾能力強、適用溫度廣等優(yōu)點[4]。

根據(jù)臨渙礦為非磁性礦、斜巷內(nèi)在礦車運行時易起粉塵、不需全程監(jiān)控等實際情況，因而選用霍爾測速傳感器。

4.2 視頻監(jiān)控裝置

根據(jù)圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻傳輸技術(shù)發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中一個關(guān)鍵部分。

在本系統(tǒng)中，只需要監(jiān)控到礦車運行狀況。在礦區(qū)原有的視頻監(jiān)控基礎(chǔ)上，擴展加入巷道監(jiān)控模塊即可實現(xiàn)對礦車運行的監(jiān)控。采用價格較為低廉煤礦井下防爆式攝像儀。

4.3 嵌入式擋車氣動驅(qū)動裝置

嵌入式擋車驅(qū)動裝置用來控制車擋開閉。一般有氣動式、液動式、電動式等。

嵌入式擋車氣動驅(qū)動裝置包括換向閥、空氣濾清器和氣缸及等。

氣動裝置亦具有響應(yīng)快，動作靈活，不需要電機驅(qū)動等特點。氣動驅(qū)動的氣源為充足易得的礦井通用高壓氣源，清潔無污染。沖擊小。

在反復(fù)調(diào)研和比較的基礎(chǔ)上，采用氣動作為遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。

4.4 嵌入式擋車執(zhí)行機構(gòu)

懸空式擋車機構(gòu)其優(yōu)點是其動作機構(gòu)完全懸在空間，不致被煤渣堵塞失靈，動作靈敏，結(jié)構(gòu)較簡單，維護方便。它的缺點是裝料過高運輸時，容易引起誤動作。另外，如一次掛車輛過多，活動桿連續(xù)被碰，逐漸增大擺幅，也會產(chǎn)生誤動作。

本文采用的是嵌入式擋車機構(gòu)，它安裝于軌道平面下方。通過可編程控制器的CPU模塊和高速計數(shù)模塊首先檢測礦車是否在正常設(shè)定的運行速度范圍內(nèi)。若礦車正常運行沒有超出設(shè)定的運行速度，可編程控制器輸出控制驅(qū)動氣控閥動作，保險擋落下，礦車正常通行。若編程控制器的CPU模塊和高速計數(shù)模塊檢測出礦車處于超速運行狀態(tài)，這時擋車裝置不會動作。

4.5 嵌入式擋車系統(tǒng)電氣控制核心

整個系統(tǒng)共分為手動、自動和測試3種工作方式，通過操作箱上相應(yīng)的控制開關(guān)來進行選擇。測試方式是在系統(tǒng)安裝或者檢修時使用的一種工作方式，通過測試按鈕用以測試擋車機構(gòu)的狀態(tài)。手動方式是通過手動按鈕來控制保險擋的回落與升起。自動工作是正常情況下使用的工作方式，分為礦車正常運行和發(fā)生跑車兩種情況。

（1）正常運行。礦車下行時，保險擋處于“常閉式”防護狀態(tài)，礦車經(jīng)過速度傳感器時，速度傳感器得到的礦車的運動速度等于提升機的速度，將保險擋回落，隱藏于地下，讓礦車通行。

（2）發(fā)生跑車。當(dāng)速度傳感器測得的礦車速度大于提升機的速度、傳感器或提升機故障報警時，保險擋不動作，阻擋礦車通過。

嵌入式防跑車系統(tǒng)的電氣原理如圖3所示。

裝置送電后，首先系統(tǒng)進行初始化工作，可編程控制器的CPU模塊使4個傳感器開始檢測。然后可編程控制器判斷擋車裝置是否升起到位。當(dāng)?shù)V車正常運行行駛到速度傳感器檢測區(qū)域，可編程控制器及其執(zhí)行機構(gòu)控制觸發(fā)氣控閥進行工作，使擋車裝置降下，礦車正常通過。若礦車速度超出事先設(shè)定的最大運行速度，也就是判斷為跑車發(fā)生，此時通過可編程控制器及其執(zhí)行機構(gòu)將擋車裝置保持升起的位置狀態(tài)即，從而實現(xiàn)對礦車進行可靠攔截，杜絕了跑車事故的發(fā)生。當(dāng)?shù)V車上行通過安裝于上部距離保險擋一輛礦車長度的位置傳感器時，位置傳感器將發(fā)出礦車已通過的信號， PLC控制升起剛經(jīng)過的保險擋，這時礦車繼續(xù)上行通過速度傳感器，如果在礦車在完成此次上行運行過程中，速度傳感器再次檢測到礦車通過的信號，如果出現(xiàn)跑車現(xiàn)象，發(fā)出警報。如果由于故障使得下落保險擋或升起保險擋在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的動作，此時可編程控制器及其輸出裝置將使提升裝置停車，從而保護了斜巷運輸系統(tǒng)的安全。

4.6 擋車控制系統(tǒng)工作過程

（1）當(dāng)?shù)V車處于礦車下行狀態(tài)：本裝置接通電源，絞車啟動。① 若礦車運行速度在正常范圍內(nèi)，PLC控制箱將控制氣缸進行收起保險擋的動作；②若礦車速度達到或超過事先設(shè)定的運行最大速度，也就是判斷超出正常運行速度時，可編程控制器及其執(zhí)行機構(gòu)將不就行輸出，嵌入式擋車裝置保持升起的位置狀態(tài)，對認為已經(jīng)超速的礦車進行可靠攔截，避免跑車事故發(fā)生。保障了斜巷運輸?shù)陌踩?/p>

（2）礦車上行：本裝置接通電源，絞車啟動，此時所有保險擋下落。上行運行過程是：① 當(dāng)?shù)V車上行通過安裝于上部距離保險擋一輛礦車長度的位置傳感器時，位置傳感器將發(fā)出礦車已通過的信號， PLC控制升起剛經(jīng)過的保險擋；② 礦車上行在未經(jīng)過速度傳感器時跑車，此時，剛升起的保險擋不動作；礦車上行在經(jīng)過速度傳感器后跑車，這時速度傳感器測得的礦車速度與絞車信號比較大于礦車正常運行速度，此時PLC不動作，保持升起狀態(tài)，阻止礦車繼續(xù)向下運動。

（3）車運行過程中發(fā)生跑車事故，PLC根據(jù)比較速度的發(fā)出報警信號，同時礦車撞擊擋車裝置的保險擋，同時立即停止運行，工作人員按照故障復(fù)位后方可繼續(xù)進行運輸。

5 嵌入式擋車系統(tǒng)的軟件設(shè)計

5.1 系統(tǒng)操作臺介紹

操作臺面板示意圖如圖4所示。

系統(tǒng)開關(guān)：此開關(guān)與絞車聯(lián)動。即絞車開關(guān)打開后此系統(tǒng)自動打開，并默認為自動運行。

指示燈1：亮，表示系統(tǒng)已開啟。

自動運行按鈕：按此按鈕后擋車系統(tǒng)進入自動運行狀態(tài)，在此狀態(tài)下，按手動運行按鈕可切換至手動運行。

上行/下行開關(guān)：此開關(guān)與絞車上行、下行開關(guān)聯(lián)動，控制絞車與擋車控制系統(tǒng)完成自動運行。

指示燈2：亮，表示系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)。

手動運行按鈕：按此按鈕后擋車系統(tǒng)進入手動運行狀態(tài)，在此狀態(tài)下運行時，按自動運行按鈕不可切換，必須等絞車停止后才可切換。

指示燈3：亮，表示系統(tǒng)處于手動運行狀態(tài)。

全復(fù)位按鈕：此按鈕用于將所有保險擋復(fù)位于常閉狀態(tài)，即升起狀態(tài)。

速度顯示屏：顯示速度傳感器測得的速度。

保險擋狀態(tài)指示：燈為綠色，表示保險擋處于升起狀態(tài)，黃色表示保險擋處于收起狀態(tài)。紅色表示這個保險擋已發(fā)生故障。1、2、3…表示保險擋從上到下的序號。

保險擋控制按鈕：用于在手動控制狀態(tài)下，控制各個保險擋的升起與下落，+為升起，-為下落。與上方的保險擋狀態(tài)指示燈相對應(yīng)。

視頻顯示：用于防爆攝像頭實時顯示巷道內(nèi)拍攝的畫面。

喇叭與報警燈：用于在跑車時發(fā)出聲光報警。此時喇叭重復(fù)發(fā)出警報聲，報警燈為紅色并閃爍。

5.2 擋車系統(tǒng)自動運行程序設(shè)計

擋車系統(tǒng)自動運行與手動運行的程序流程圖如圖5所示。

（下轉(zhuǎn)第46頁）

（上接第55頁）

在自動運行狀態(tài)下，在下行時，如果速度傳感器得到的礦車的運動速度等于提升機的速度時，將保險擋桿收起，隱藏于地下，放礦車通過。當(dāng)速度傳感器測得的礦車速度大于提升機的速度、傳感器或提升機故障報警時，不產(chǎn)生動作，阻擋礦車通過。上行時，如果位置傳感器檢測到有礦車通過的信號，將其上方的距離最近的保險擋桿收起，隱藏于地下，放礦車通過，礦車通過位置傳感器后，保險擋及時升起。

5.3 上位人機界面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

界面如圖6所示。

6 總結(jié)

（1）首次將風(fēng)動驅(qū)動應(yīng)用于防跑車系統(tǒng)。采用風(fēng)動驅(qū)動的擋車裝置，當(dāng)速度傳感器檢測到礦車速度大于提升機的速度時，風(fēng)動裝置自動打開巷道風(fēng)管氣閥對擋車機構(gòu)的氣缸供氣，迅速將保險擋從軌道平面地下向上升起，從而實現(xiàn)對礦車的阻攔。

（2）隱形式的擋車設(shè)計。礦車正常運行時，擋車機構(gòu)嵌入在斜巷軌道中央地下，隱藏于軌道平面之下，發(fā)生跑車時，擋車機構(gòu)迅速從軌道平面地下向上升起從而可靠阻擋礦車，防止跑車事故發(fā)生。

（3）遠距離自動控制、顯示和報警。大大減少了斜巷工作人員的勞動強度。

遠距離嵌入式風(fēng)動保險擋車系統(tǒng)控制裝置和擋車機構(gòu)動作靈活，工作穩(wěn)定可靠，維護方便，易于操作，監(jiān)控系統(tǒng)可靠直觀。擋車器結(jié)構(gòu)簡單，材料、配件容易購置，易于加工；可以承受較大速度的礦車撞擊；造價低廉，經(jīng)濟效益明顯。整個系統(tǒng)維修量小，節(jié)省人力，減少了人員的管理。

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