金屬礦山井下電機(jī)車彎道防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

劉秀峰 彭 鵬

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計(jì)有限公司大賈莊鐵礦有限公司，河北 唐山 063700)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)大部分金屬礦山井下有軌運(yùn)輸系統(tǒng)均采用人工現(xiàn)場(chǎng)駕駛操控，少部分金屬礦山采用了地表遠(yuǎn)程遙控駕駛。采用現(xiàn)場(chǎng)駕駛操控每臺(tái)電機(jī)車需配備一名電機(jī)車司機(jī)，礦石裝載站配備一名裝礦工和一名礦石清理工，運(yùn)輸過(guò)程只有電機(jī)車司機(jī)一人駕駛，裝礦過(guò)程需要三名工人相互配合[1]。

電機(jī)車通過(guò)三岔路口時(shí)部分礦山采用調(diào)度人員與機(jī)車進(jìn)行位置核實(shí)，調(diào)度提醒其它司機(jī)目前路口是否有機(jī)車通過(guò)的調(diào)度方式。部分礦山要求電機(jī)車司機(jī)駕駛通過(guò)岔口時(shí)先停車查看其它方向有無(wú)機(jī)車通行，司機(jī)確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后再通過(guò)。由此也帶來(lái)了許多不利因素和安全隱患[2，3]，例如電機(jī)車司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間駕駛導(dǎo)致人員疲勞瞌睡，由于電機(jī)車司機(jī)的不負(fù)責(zé)任和僥幸心理，經(jīng)過(guò)岔口時(shí)并不下車查看，極易發(fā)生車輛追尾和碰撞事故。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)井下電機(jī)車運(yùn)行多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，設(shè)計(jì)了一種井下電機(jī)車彎道防撞系統(tǒng)。從硬件配置、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)原理等方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，如何有效避免電機(jī)車在三岔路口、T型路口處發(fā)生追尾、碰撞等事故。該設(shè)計(jì)將有效降低電機(jī)車司機(jī)、機(jī)車調(diào)度人員的工作強(qiáng)度，提高井下電機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩院瓦\(yùn)輸效率。

1 系統(tǒng)組成

金屬礦山井下電機(jī)車彎道防撞系統(tǒng)主要由PLC中央處理單元、聲光警示單元、RFID射頻單元、紅外激光單元、信號(hào)指示單元、視頻監(jiān)控單元幾部分組成，見(jiàn)圖1。

PLC中央處理單元由PLC核心控制器、24 V電源、穩(wěn)壓器、UPS不間斷電源、通信模塊、模擬量模塊、空氣開(kāi)關(guān)、小型繼電器組成；聲光警示單元由語(yǔ)音播報(bào)器、擴(kuò)音器、爆閃警示燈組成；RFID射頻單元由射頻識(shí)別器、射頻識(shí)別卡、電源控制箱、支架組成；紅外激光單元由漫反射式激光傳感器、激光反射裝置組成；信號(hào)指示單元由紅綠黃三色信號(hào)燈、托架、控制箱組成；視頻監(jiān)控單元由高清攝像頭、電源控制箱、交換機(jī)、硬盤錄像機(jī)組成。

圖1 彎道防撞系統(tǒng)組成圖

2 硬件配置

2.1 硬件安裝位置

如圖2所示，將電機(jī)車運(yùn)輸軌道三岔口分為A B C三個(gè)部分，AC為直道部分，BC為彎道。

圖2 硬件安裝位置示意圖

2.2 A軌道安裝設(shè)備

安裝1#射頻識(shí)別設(shè)備和1#激光傳感器用于檢測(cè)A軌道電機(jī)車通過(guò)信息，檢測(cè)是否有電機(jī)車經(jīng)過(guò)。安裝1#紅綠燈系統(tǒng)，向A軌道進(jìn)入的電機(jī)車發(fā)出紅綠通行信號(hào)。安裝1#視頻監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)督從A軌道進(jìn)入的電機(jī)車是否按照信號(hào)指示通行。

2.3 B軌道安裝設(shè)備

安裝2#射頻識(shí)別設(shè)備和2#激光傳感器用于檢測(cè)B軌道電機(jī)車通過(guò)信息，檢測(cè)是否有電機(jī)車經(jīng)過(guò)。安裝2#紅綠燈系統(tǒng)，向從B軌道進(jìn)入的電機(jī)車發(fā)出紅綠通行信號(hào)。安裝2#視頻監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)督從B軌道進(jìn)入的電機(jī)車是否按照信號(hào)指示通行。

2.4 C軌道安裝設(shè)備

安裝3#射頻識(shí)別設(shè)備和3#激光傳感器用于檢測(cè)C軌道電機(jī)車通過(guò)信息,檢測(cè)電機(jī)車是否行駛出三岔口危險(xiǎn)區(qū)域。

2.5 其它主要設(shè)備

PLC中央處理等設(shè)備放置于配電箱中，就近安裝于三岔口配電房?jī)?nèi)，確保設(shè)備有干燥通風(fēng)的運(yùn)行環(huán)境。

3 系統(tǒng)原理

《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中規(guī)定：“列車制動(dòng)距離：運(yùn)送人員應(yīng)不超過(guò)20 m，運(yùn)送物料應(yīng)不超過(guò)40 m；14 t以上的大型機(jī)車(或雙機(jī))牽引運(yùn)輸，應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸條件予以確定，但應(yīng)不超過(guò)80 m。”

依據(jù)安規(guī)規(guī)定，將紅綠信號(hào)燈放置于距離三岔口150 m處，按司機(jī)最慢反應(yīng)時(shí)間5 s計(jì)算，將1#、2#射頻識(shí)別器安裝于紅綠信號(hào)燈前面50 m處，即距離三岔口200 m。當(dāng)A或B方向來(lái)車時(shí)，電機(jī)車經(jīng)過(guò)射頻識(shí)別器和雷達(dá)傳感器。射頻識(shí)別器和雷達(dá)傳感器相互作為校正檢測(cè)手段，確保電機(jī)車通過(guò)時(shí)檢測(cè)信號(hào)能準(zhǔn)確發(fā)出。檢測(cè)裝置然后將信號(hào)發(fā)送至PLC中央處理單元，PLC對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行邏輯處理，輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)控制紅綠燈信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出通行指令，指示司機(jī)能否通過(guò)三岔口。

考慮極特殊情況，當(dāng)兩列車通過(guò)RFID射頻識(shí)別設(shè)備相差時(shí)間很短時(shí)，后面通過(guò)的電機(jī)車紅綠燈會(huì)突然變?yōu)榧t燈，禁止其通過(guò)。此時(shí)因?yàn)闄z測(cè)設(shè)備與紅綠燈有50 m距離，即檢測(cè)信息較司機(jī)看到信號(hào)燈時(shí)間早，增加了司機(jī)剎車距離，保證了在此情況下列車運(yùn)行的安全。

4 技術(shù)特點(diǎn)

PLC中央處理單元核心部件采用西門子S7-1200PLC，該控制器使用靈活、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其CPU將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內(nèi)置 PROFINET、高速運(yùn)動(dòng)控制I/O以及板載模擬量輸入組合到一個(gè)設(shè)計(jì)緊湊的外殼中以形成功能強(qiáng)大的控制器。該控制器運(yùn)算處理速度快，實(shí)數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算執(zhí)行速度達(dá)到18 μs/指令，布爾運(yùn)算執(zhí)行速度達(dá)到0.1 μs/指令。

聲光警示單元采用高亮度爆閃警示燈，當(dāng)警示系統(tǒng)顯示紅燈時(shí)，警示燈爆閃提醒司機(jī)停車，同時(shí)安裝了帶擴(kuò)音器的語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音提醒播報(bào)。聲光雙重提示，確保司機(jī)第一時(shí)間收到通行信息，保障車輛安全通過(guò)三岔口。

RFID射頻識(shí)別單元和紅外激光單元為重要的感應(yīng)檢測(cè)設(shè)備，RFID射頻識(shí)別器安裝于干燥的巷道側(cè)壁，射頻識(shí)別卡安裝于電機(jī)車側(cè)邊，紅外激光傳感器安裝于巷道頂部，激光反射裝置安裝于駕駛室頂部。RFID射頻識(shí)別設(shè)備采用大功率超靈敏感應(yīng)器，避免電機(jī)車高速通過(guò)時(shí)的漏檢情況。巷道頂部的紅外激光傳感器與激光反射裝置分體安裝，激光反射裝置為無(wú)源器件，即時(shí)電機(jī)車高速運(yùn)行劇烈振動(dòng)時(shí)也不影響信號(hào)檢測(cè)。紅外激光傳感器采用大型的高性能光學(xué)接收鏡頭，提高信號(hào)接收準(zhǔn)確率。該兩個(gè)檢測(cè)單位同時(shí)對(duì)通過(guò)電機(jī)車進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果相互校準(zhǔn)，避免了因檢測(cè)設(shè)備故障、漏檢導(dǎo)致信號(hào)顯示單位無(wú)法正確顯示。

視頻監(jiān)控單元為彎道防撞系統(tǒng)的輔助單元，主要作用是監(jiān)督電機(jī)車司機(jī)嚴(yán)格按照紅綠燈指示通行，同時(shí)便于管理人員對(duì)未按照信號(hào)燈通行的司機(jī)進(jìn)行處罰。

5 結(jié)語(yǔ)

金屬礦山井下有軌運(yùn)輸設(shè)備作為保證礦石產(chǎn)量的重點(diǎn)設(shè)備，能否安全、高效運(yùn)行，關(guān)系到一個(gè)礦山是否能正常生產(chǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)的電機(jī)車彎道防撞系統(tǒng)，確保了電機(jī)車通過(guò)彎道路口的安全性，有效避免電機(jī)車發(fā)生碰撞、追尾等事故。同時(shí)，該系統(tǒng)極大的降低了電機(jī)車司機(jī)、井下調(diào)度人員的工作量強(qiáng)度。