井下有軌運(yùn)輸機(jī)車自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

王建明

(山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心，山西 太原 030000)

0 引 言

有軌運(yùn)輸機(jī)車是各類礦山井下的重要運(yùn)輸設(shè)備，具有不可替代的作用。目前，多數(shù)礦山井下有軌運(yùn)輸電機(jī)車控制仍然采用人工手動控制的方式，工作人員必須時(shí)刻現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)督操控，同時(shí)需要一定數(shù)量的工作人員相互配合才能完成裝卸過程。這種控制方式存在很多問題：井下工作人員密度大，工作環(huán)境復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大，工作時(shí)間需要倒班、危險(xiǎn)性高，容易引發(fā)安全事故，影響了礦井的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量[1]。針對運(yùn)輸機(jī)車存在的上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制器的自動化控制系統(tǒng)，集傳感檢測技術(shù)、無線通信技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)輸機(jī)車全方位、全生命周期的動態(tài)監(jiān)控、監(jiān)管，提高了機(jī)車的運(yùn)輸效率和自動化水平，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井運(yùn)輸機(jī)車自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)的礦井運(yùn)輸機(jī)車自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)+WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、電機(jī)車車載監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠(yuǎn)程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)、帶有射頻卡的機(jī)車軌道等組成。

圖1 礦井有軌運(yùn)輸電機(jī)車自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由高級別的工控機(jī)及兩臺服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)對運(yùn)輸機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)和井下環(huán)境進(jìn)行全方位在線監(jiān)測，同時(shí)根據(jù)反饋結(jié)果發(fā)布控制和調(diào)度指令；通信系統(tǒng)由工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)、多臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、WIFI無線基站及WIFI信號接收設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備的雙向無線通信；電機(jī)車車載監(jiān)控系統(tǒng)由礦用機(jī)車、PLC主控制器、WIFI無線收發(fā)設(shè)備、傳感器檢測單元、制動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、RFID讀卡器等組成，可對電機(jī)車進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測信息上傳給監(jiān)控中心，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可對機(jī)車實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制；機(jī)車軌道隔一定距離布設(shè)射頻卡，與RFID讀卡器對接；視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠(yuǎn)程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)采用成套設(shè)備直接接入所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中[2]。通過以上設(shè)計(jì)，運(yùn)輸機(jī)車控制系統(tǒng)可根據(jù)視頻監(jiān)控信息、傳感器檢測信息、RFID識別信息獲得自身位置信息、速度信息及運(yùn)行狀態(tài)，并自動調(diào)控自身運(yùn)行方式、運(yùn)行位置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)車的自動化裝卸礦。

2 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

2.1 PLC主控制器選型

電機(jī)車車載監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC作為車載主控制器。PLC作為專業(yè)的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備，因其抗震能力強(qiáng)、可靠性高、電磁兼容性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和煤礦領(lǐng)域[3]。本文采用的PLC控制器具體型號為三菱FX1N，作為核心設(shè)備，PLC的功能分為以下三點(diǎn)：①負(fù)責(zé)采集運(yùn)輸電機(jī)車的狀態(tài)信息，包括電機(jī)車的速度、位置信息，電機(jī)車的制動狀態(tài)，變頻器的電壓電流、頻率信息，通訊設(shè)備的工作狀態(tài)等；②負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的啟停、變頻調(diào)速等；③實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能。

2.2 傳感器檢測單元設(shè)計(jì)

傳感器檢測單元由多個(gè)不同功能的傳感器組成，包括紅外線傳感器、雷達(dá)成像傳感器、聲音傳感器、輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器等，負(fù)責(zé)對機(jī)車的速度、位置進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測。

2.3 變頻器調(diào)速單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)變頻器采用ABB公司的ACS880系列的ACS880-01-293A-3產(chǎn)品，配合交流異步電機(jī)，對電機(jī)車進(jìn)行調(diào)速控制，包括實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的啟停、加減速、前進(jìn)與后退，同時(shí)配合制動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)剎車。變頻器采用全數(shù)字矢量控制方式，并通過空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)實(shí)現(xiàn)。

2.4 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線通信系統(tǒng)以工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠(yuǎn)程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)通過交換機(jī)接入光纖環(huán)網(wǎng)。為實(shí)現(xiàn)無線WiFi信號在礦井下的覆蓋，在巷道頂安裝了WIFI基站，同時(shí)在電機(jī)車車頭上方安裝WIFI收發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了信息的雙向互通。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)紅外攝像機(jī)，在電機(jī)車車頭前方、裝礦區(qū)域、卸礦區(qū)域、電機(jī)車受電弓、牽引變電所等地點(diǎn)皆設(shè)置視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)井下全方位無工作死角的視頻監(jiān)控和信息聯(lián)動，同時(shí)，監(jiān)控視頻將進(jìn)行存儲，便于后期進(jìn)行回看[1]。

2.6 RFID射頻識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID射頻識別系統(tǒng)由RFID識別器和RFID定位標(biāo)簽組成。其中，RFID識別器安裝在電機(jī)車上，置于防爆箱內(nèi)部，天線則引出置于機(jī)車固定位置，RFID定位標(biāo)簽安裝在軌道上，為確保區(qū)間定位的可靠性，RFID標(biāo)簽每個(gè)位置使用兩套標(biāo)簽。由于識別器需要對來自射頻卡的載波信號進(jìn)行解調(diào)，所以要求讀卡器的內(nèi)部封裝有接收調(diào)制器，從而選用射頻芯片S6700。射頻卡選用疏耦合的無源射頻卡，它與讀卡器之間的通信協(xié)議采用ISO15693標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用了三菱PLC主控制器，故使用GX Developer編程軟件進(jìn)行下位機(jī)程序編寫，采用梯形圖的編程語言。下位機(jī)程序由主程序及多個(gè)子程序構(gòu)成，當(dāng)執(zhí)行某個(gè)功能時(shí)，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用。子程序包括傳感器檢測程序、變頻調(diào)速程序、無線通信傳輸程序、聲光報(bào)警程序、電機(jī)車制動程序、RFID射頻識別程序等。如圖2所示為系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)車運(yùn)行位置定位的RFID射頻識別程序框圖。

圖2 RFID射頻識別程序框圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)

采用組態(tài)王kingview6.53軟件開發(fā)了運(yùn)輸機(jī)車自動化控制系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控平臺，該組態(tài)軟件適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、開發(fā)周期短。上位機(jī)監(jiān)控平臺分為三大模塊：用戶信息設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲模塊、運(yùn)輸調(diào)度指揮模塊。具體模塊功能分布結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控平臺功能分布結(jié)構(gòu)圖

通過上位機(jī)監(jiān)控平臺，將系統(tǒng)劃分為管理層、監(jiān)控層、控制層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，其中監(jiān)控層是核心層，不僅實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場電機(jī)車的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與調(diào)度控制，而且在自動化控制系統(tǒng)中完成信息上傳下達(dá)的作用。該平臺提供了可視化監(jiān)控畫面，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接，實(shí)時(shí)顯示井下的工作場景；電機(jī)車的運(yùn)行位置、倉位高度也將以動畫方式實(shí)現(xiàn)顯示；同時(shí)平臺具有報(bào)警功能、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數(shù)據(jù)存儲等功能[3]。

4 應(yīng)用效果

電機(jī)車自動化控制系統(tǒng)投入試用，通過對RFID射頻識別技術(shù)的應(yīng)用，定位精度可在10 m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的精準(zhǔn)定位，同時(shí)可在地面調(diào)度中心實(shí)時(shí)同步顯示，位置顯示刷新頻率為5 s/次；另外，電機(jī)車的運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、前后車間距等狀態(tài)信息也會實(shí)時(shí)顯示，為工作人員提供了調(diào)度參考數(shù)據(jù)，當(dāng)行人距離機(jī)車行駛方向25～30 m時(shí)，控制系統(tǒng)便會發(fā)出警報(bào)，提醒行人以及工作人員，電機(jī)車自動化控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)人工手動調(diào)度的電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)存在很多缺陷與不足，為礦產(chǎn)的開采和運(yùn)輸帶來了很多困擾。本文以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套集調(diào)度、智能監(jiān)測、無線通信、自動控制四位一體的有軌運(yùn)輸機(jī)車自動化控制系統(tǒng)。借助井下監(jiān)測設(shè)備對運(yùn)輸機(jī)車全方位的智能監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了機(jī)車的精準(zhǔn)定位，定位精度在10 m以內(nèi)，同時(shí)對每輛機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測，可使工作人員遠(yuǎn)程對其進(jìn)行調(diào)度控制。該系統(tǒng)投入使用后，大大提高了電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)的自動化水平，達(dá)到了數(shù)字化礦山建設(shè)的目標(biāo)。