一種新型井下智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)

劉鵬南

（山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司，山東青島 266600）

0 引言

金屬、非金屬礦山存在井下潮濕、高溫、粉塵等因素使得工作環(huán)境比較惡劣，存在較多的不穩(wěn)定性與不安全隱患,造成傳統(tǒng)人工駕駛電機(jī)車工作效率低下。同時(shí)存在調(diào)度不慎的情況，人工駕駛運(yùn)輸過程中經(jīng)常存在操作失誤，造成人員傷亡。為了減少惡劣環(huán)境中的作業(yè)人員數(shù)量，有效提高電機(jī)車運(yùn)輸效率于運(yùn)輸?shù)陌踩?，降低礦石運(yùn)輸成本,緩解井下安全生產(chǎn)壓力，開發(fā)新型井下智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)，打造生產(chǎn)運(yùn)輸安全、高效、有序的人文化礦山。

1 礦井運(yùn)輸設(shè)備現(xiàn)狀及改進(jìn)方案

1.1 礦井運(yùn)輸設(shè)備現(xiàn)狀

（1）隨著地下采礦規(guī)模的日益劇增，運(yùn)輸距離和頻次逐漸增加，司機(jī)往往會(huì)失去警覺發(fā)生列車相撞、超速事故及脫軌事故，嚴(yán)重影響運(yùn)輸巷的運(yùn)輸能力。

（2）目前采用射頻模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)車定位信息，但精度不高，無法了解電機(jī)車的精準(zhǔn)位置，容易使電機(jī)車因定位不精準(zhǔn)，導(dǎo)致調(diào)度系統(tǒng)工作實(shí)效，嚴(yán)重影響礦井運(yùn)輸效率。

1.2 5G 技術(shù)的促進(jìn)

萊西公司在井下搭建5G 網(wǎng)絡(luò)，利用其低時(shí)延、大容量、高速率的特點(diǎn)進(jìn)行通信傳輸與遠(yuǎn)程操作控制的改造，在地表信息中心實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取井下人員、設(shè)備狀態(tài)和位置信息，進(jìn)行裝載順序和工作計(jì)劃優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的最大化效率和統(tǒng)一調(diào)配。

2 系統(tǒng)內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)實(shí)施目標(biāo)

系統(tǒng)以5G 通信及綜合軌道運(yùn)輸監(jiān)控、編碼器精準(zhǔn)定位、視頻圖像處理、液壓技術(shù)，對(duì)電機(jī)車的控制電路、駐車制動(dòng)、受電弓等各個(gè)系統(tǒng)均進(jìn)行升級(jí)改造，通過分析各子系統(tǒng)的控制需求，自主設(shè)計(jì)車載控制臺(tái)，集成控制指令給定、各開關(guān)量控制、控制模式轉(zhuǎn)換及人機(jī)交互顯示屏等所有功能。同時(shí)，將放礦控制并入系統(tǒng)，增加信集閉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道岔、裝卸礦自動(dòng)控制電機(jī)車無人駕駛?cè)詣?dòng)運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要組成如圖1 所示。

圖1 井下自動(dòng)運(yùn)輸智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

井下有軌電機(jī)車智慧運(yùn)輸系統(tǒng)（圖1）包括自動(dòng)運(yùn)輸用的電機(jī)車、電機(jī)車控制系統(tǒng)、5G 信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換設(shè)備CPE、受電弓、礦車、5G 天線、5G 傳輸饋線、5G 基站RRU、PLC 主站、電腦終端、道岔控制PLC 子站、同步電磁鐵、位置同步編碼器、視頻監(jiān)控?cái)z像頭。

（1）電機(jī)車。電機(jī)車與礦車連接，主要用于礦車的牽引。電機(jī)車駕駛室內(nèi)部固定電機(jī)車控制系統(tǒng)。

（2）電機(jī)車控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要為PLC 控制器，對(duì)電機(jī)車上所配置車載傳感器采集到的位置、速度、運(yùn)行方式、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)并做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)度，位置追蹤、可視化監(jiān)控等功能。

（3）5G 信號(hào)CPE。5G 信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換設(shè)備CPE 將巷道內(nèi)的5G 信號(hào)轉(zhuǎn)換為有線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)诫姍C(jī)車控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，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)。

（4）位置檢測(cè)與同步裝置。位置檢測(cè)編碼器根據(jù)編碼器脈沖數(shù)判斷行進(jìn)的位置及速度。同步電磁鐵埋設(shè)在運(yùn)輸巷道提前測(cè)量好的固定位置，對(duì)電機(jī)車進(jìn)行位置同步監(jiān)測(cè)，保證位置監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

（5）道岔控制PLC 子站。運(yùn)輸巷道中道岔處安裝道岔控制PLC 子站，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)道岔進(jìn)行調(diào)整，保證運(yùn)輸?shù)臅惩ā?/p>

（6）5G 通信設(shè)備。運(yùn)輸巷道全程覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳輸，5G 基站RRU 將光纖傳輸?shù)?G 信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)經(jīng)過天線傳輸覆蓋或?qū)⑻炀€收到的5G 信號(hào)轉(zhuǎn)換成有線傳輸，輸送至上一級(jí)進(jìn)行處理。

（7）PLC 主站。PLC 控制主站將各個(gè)子站或傳感器采集到的信息進(jìn)行集中處理，根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)狀態(tài)并做出響應(yīng)的控制響應(yīng)，保證系統(tǒng)正常的運(yùn)行。

（8）電腦終端。電腦終端用于地表遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，保證系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常，同時(shí)對(duì)一些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警顯示。

（9）PLC 裝載子站。使用光纖通信方式把采集的各類信號(hào)傳輸?shù)诫姍C(jī)車自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用S7-1200 PLC 控制進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)視、動(dòng)作及遠(yuǎn)程控制，大幅度提高運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)裝卸載的全自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)在本地設(shè)置就地、遠(yuǎn)程、檢修3 種工作方式，保證裝卸站的安全使用。

2.3 系統(tǒng)主要功能

（1）聯(lián)鎖功能：系統(tǒng)保證多輛電機(jī)車按照調(diào)度程序自主順序運(yùn)行，智能調(diào)度車輛運(yùn)行，避免出現(xiàn)堵車、追尾等事故，保證最大化運(yùn)輸。

（2）遙控駕駛：地表操作人員通過電機(jī)車組態(tài)控制畫面，對(duì)電機(jī)車啟停、加減速、方向等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)一人控制多臺(tái)電機(jī)車。

（3）自動(dòng)裝礦：電機(jī)車到達(dá)裝礦位置后，裝載子站PLC 根據(jù)料位檢測(cè)及電機(jī)車位置信息，聯(lián)動(dòng)裝載子站動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放礦。

（4）自動(dòng)駕駛：一鍵啟動(dòng)，電機(jī)車根據(jù)智能調(diào)度系統(tǒng),自動(dòng)選擇輸路線自動(dòng)行駛，自動(dòng)進(jìn)行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等操作。

2.4 自動(dòng)運(yùn)行工作原理

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)。啟動(dòng)后首先進(jìn)行自檢，判斷電機(jī)車所在的位置及各部位是否正常。如不正常則進(jìn)行聲光報(bào)警，提示異常部位進(jìn)行處理；如一切正常，操作人員在電腦終端選擇運(yùn)輸方式，然后一鍵啟動(dòng)。

（2）礦石裝載。道岔控制PLC 子站根據(jù)選擇的運(yùn)輸方式調(diào)整電機(jī)車道岔位置，裝載站傳感器檢測(cè)到電機(jī)車到達(dá)且已經(jīng)進(jìn)入裝載位置后，自動(dòng)啟動(dòng)放礦機(jī)進(jìn)行放礦，放礦結(jié)束后阻車器打開，電機(jī)車自動(dòng)前行至下節(jié)車廂裝礦位置重復(fù)之前的動(dòng)作，直至整列車裝載完畢。

（3）電機(jī)車運(yùn)輸。裝載站檢測(cè)整列車裝載完畢后發(fā)出開車信號(hào)，電機(jī)車收到信號(hào)后啟動(dòng)；電機(jī)車啟動(dòng)后緩慢加速行駛，以1.5 m/s 的速度行進(jìn)直至經(jīng)過副井彎道，進(jìn)入直軌道后再次加速至3 m/s 勻速運(yùn)行，并對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

（4）礦石卸載。到達(dá)卸載站同步點(diǎn)后電機(jī)車速度緩慢降至1 m/s，進(jìn)入卸載站勻速卸礦，直至到達(dá)卸載完成同步點(diǎn)完成一次裝卸流程。

3 技術(shù)路線

按照可視化、智能化要求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電機(jī)車運(yùn)輸全部過程并通過對(duì)電流、電壓、位置、速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)車全自動(dòng)運(yùn)行、故障自我診斷、自我保護(hù)停車。利用組態(tài)王軟件與電機(jī)車控制PLC通信，將電機(jī)車運(yùn)行中的參數(shù)采集到系統(tǒng)中。運(yùn)用組態(tài)王軟件中變量定義和命令語言，實(shí)現(xiàn)組態(tài)畫面中電機(jī)車圖素與電機(jī)車采集的變量動(dòng)畫連接。在計(jì)算機(jī)上以動(dòng)畫、圖形、表格、漢字等形式實(shí)時(shí)顯示機(jī)車位置、車號(hào)、運(yùn)行方向、機(jī)車運(yùn)行相對(duì)速度等運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)通過視頻監(jiān)控查看電機(jī)車前后的運(yùn)行環(huán)境，保證電機(jī)車安全運(yùn)行。

4 新型井下智能運(yùn)輸管理系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）運(yùn)輸智能化。系統(tǒng)依照“最優(yōu)化運(yùn)輸”思路進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)?？梢愿鶕?jù)運(yùn)輸任務(wù)自主化行駛至裝載站進(jìn)行自動(dòng)裝載。裝載完畢后自行起步運(yùn)輸，根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行速度控制，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸效率最大化。

（2）運(yùn)行過程可視化。電機(jī)車前后加裝廣角視頻監(jiān)控?cái)z像頭，將電機(jī)車運(yùn)行過程中的視頻信息實(shí)時(shí)傳輸至電腦終端進(jìn)行全面有效和靈活的監(jiān)測(cè)，裝載站、道岔、卸載站處裝有固定式的視頻監(jiān)控?cái)z像頭，將裝載、道岔調(diào)整、卸載等過程的變化實(shí)時(shí)傳輸至電腦終端。同時(shí)電機(jī)車控制系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器檢測(cè)到位置、速度、運(yùn)行方式、電流、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在車載顯示屏上，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)輸送至PLC 主站進(jìn)行系統(tǒng)處理，發(fā)現(xiàn)異常則根據(jù)故障輕重進(jìn)行響應(yīng)，發(fā)出警報(bào)或者緊急停車，并顯示在電腦終端上。

（3）位置信息實(shí)時(shí)性。電機(jī)車位置的精準(zhǔn)度是電機(jī)車運(yùn)輸管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過編碼器與道軌旁安裝的同步電磁鐵實(shí)現(xiàn)位置的實(shí)時(shí)顯示及校核。在軌道位置關(guān)鍵點(diǎn)埋設(shè)同步電磁鐵對(duì)電機(jī)車進(jìn)行位置同步監(jiān)測(cè)，保證電機(jī)車位置準(zhǔn)確，為管理線路上的機(jī)車提供參考。

（4）系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)精確性。依托5G 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、大容量、高速率的特點(diǎn)，在信息中心地表可以對(duì)-500 m 中段井下自動(dòng)運(yùn)輸智能控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，可以做到遠(yuǎn)程高精度實(shí)時(shí)控制。視頻監(jiān)控傳輸流暢無卡頓，實(shí)現(xiàn)同步傳輸、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。