井下電機(jī)車地面遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

黃元葉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

目前我國尚無成熟的遠(yuǎn)距離遙控井下電力機(jī)車的先例。礦井電機(jī)車全部由現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)駕駛，作業(yè)方式為：裝礦時(shí)，每輛電瓶車都要跟著一名放礦員在放礦時(shí)對(duì)車；放礦等作業(yè)要求礦工與機(jī)車司機(jī)之間的持續(xù)信息交流。配合、二次對(duì)車容易造成人為效率降低、裝載異常，存在安全隱患。瑞典基律納地下鐵公司在20 世紀(jì)70 年代就著手開發(fā)無線遙控電力機(jī)車和無線通信技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線遙控列車的遠(yuǎn)程控制。如今，其主干道級(jí)別已經(jīng)降到了-1045 m，也是首次使用無人駕駛水平軌道，其主要功能是在列車行駛時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，到達(dá)裝礦點(diǎn)位后，由主控室內(nèi)遙控。

1 工程概述

某礦區(qū)階段采掘范圍為-330 m。一期礦山生產(chǎn)能力為320萬噸/年，年產(chǎn)礦石25 萬噸。采區(qū)共有13 口礦巖溜井，-180 m 以上采區(qū)礦巖經(jīng)溜井至-180 m，-180 m 段為環(huán)形輸送，4 條穿脈段用有軌運(yùn)輸法將13 條礦巖溜井送至主溜井，為下段粉碎和提升系統(tǒng)作好原料。采場(chǎng)礦巖運(yùn)輸：20 t 電力機(jī)車從主井車場(chǎng)拉起10 m 的下側(cè)卸礦車，通過石門的車行；上盤巷；運(yùn)輸巷、經(jīng)脈、穿脈、裝礦，裝上礦石后，沿穿脈、下盤運(yùn)輸巷、車場(chǎng)石門、主井車場(chǎng)的卸貨。因受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及裝備等因素的制約，在整個(gè)交通等級(jí)上，電機(jī)車滑線斷點(diǎn)達(dá)16 條，因此，在斷電時(shí)，需要采用手動(dòng)方式降落。在礦井溜井的下部，利用振動(dòng)式放礦器，把溜井液中的礦料裝進(jìn)10 m3的底部卸料小車，最大溜距為800 mm。本裝置使用XLZ 型滑井振動(dòng)放礦器，2 塊平板并聯(lián)，向礦車中裝載礦石，每輛礦車進(jìn)行2 次對(duì)位放礦。-180 m 分段式交通系統(tǒng)的窄軌采用900 mm 的軌距和43 kg/m 的軌距。列車運(yùn)行3 列，每一列牽引8臺(tái)10 m 長的底部側(cè)卸式礦車，4 輛20 t 的電力機(jī)車，3 輛運(yùn)行，1輛待命，10 m 下側(cè)卸式采煤機(jī)24 個(gè)，備用8 個(gè)，4 輛電力機(jī)車全部由ZKT-2×200/550 型的IGBT 斬波調(diào)節(jié)器進(jìn)行，由人工手動(dòng)控制，電機(jī)車前制動(dòng)為腳踏式氣壓制動(dòng)器，電動(dòng)弓架為手動(dòng)起重[2]。

2 井下電機(jī)車地面遠(yuǎn)程遙控技術(shù)

該系統(tǒng)是一套完整的礦井電力機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)，包括數(shù)字派配礦、控礦控制。風(fēng)控操作：各種安全防護(hù)功能的自動(dòng)卸載和操作。通過一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析和決策，建立起一個(gè)整體的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)的有效運(yùn)行。主要技術(shù)：一是將機(jī)械、電氣、自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)、有線通信、無線通信等技術(shù)結(jié)合起來，在全國率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦電機(jī)車的地面控制。二是利用電聯(lián)回路控制、受電信號(hào)自動(dòng)提升控制等技術(shù)，對(duì)常規(guī)的斬波調(diào)速井下電力機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造，使礦井運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。三是在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的前提下，解決了地下礦井無線通信覆蓋、大容量、實(shí)時(shí)交叉等技術(shù)難題。第一階段的采場(chǎng)配礦，是指由采場(chǎng)進(jìn)路上的鏟運(yùn)車出礦，然后將其倒出到采場(chǎng)的溜井。依據(jù)地質(zhì)模型，依據(jù)放礦橢球原理，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)各鏟的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。二次主溜井配礦，是指用電機(jī)車從各個(gè)溜井中把礦石裝入到主溜井的配礦工藝。根據(jù)一次開采的成果，從產(chǎn)出、質(zhì)量、安全、狀態(tài)、時(shí)間等方面，通過建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)各個(gè)溜井的放礦次序、放礦量進(jìn)行控制，以確保出礦平衡、穩(wěn)定。根據(jù)二次配礦計(jì)劃的生產(chǎn)進(jìn)度，在破碎作業(yè)區(qū)調(diào)度操縱“信集閉”的控制系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)車的作業(yè)區(qū)段及裝礦點(diǎn)進(jìn)行指令。遠(yuǎn)距離遙控電機(jī)車按照“信集閉”的運(yùn)行路線及指示，完成主要運(yùn)輸作業(yè)。

3 井下電機(jī)車地面遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)組成

3.1 派配礦單元

煤礦下窄軌信集中控制系統(tǒng)的主、分站均位于煤礦地下交通系統(tǒng)，主分站設(shè)置在地下交通系統(tǒng)，地面主控室設(shè)有作業(yè)平臺(tái)，地下運(yùn)輸層采用無線通信，井下輸送層采用地下通信。100 M網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由1 臺(tái)位于地面中心機(jī)房的主開關(guān)及1 臺(tái)地下傳輸級(jí)網(wǎng)路分交換機(jī)組成，不間斷電源系統(tǒng)位于中心機(jī)房，井下電力機(jī)車及井下交通水平網(wǎng)路分交換機(jī)各1 臺(tái)，在井下輸送水平溜井處設(shè)置了溜井遙控裝礦裝置，在井下輸送的水平溜井上，在井下輸送水平溜井裝礦點(diǎn)位上安裝了溜井遙控裝礦視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，井下窄軌信號(hào)的集中和閉合控制。溜井遙控裝礦系統(tǒng)與地面中央機(jī)房的主交換機(jī)通過100 M 網(wǎng)絡(luò)相連，電力機(jī)車的自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)提供安全防護(hù)，與地下電力機(jī)車進(jìn)行通信，并與地面中心計(jì)算機(jī)的主交換機(jī)連接，形成完整的通信網(wǎng)路，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、判斷、分析、控制、執(zhí)行、顯示和存儲(chǔ)。溜井遠(yuǎn)程裝礦視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過專用的光纖網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺(tái)上，以達(dá)到監(jiān)測(cè)煤礦生產(chǎn)的目的[3]。

3.2 機(jī)車單元

該礦的電力機(jī)車輸送系統(tǒng)共有4 部20 t 電力機(jī)車，其中3部運(yùn)行、1 部待機(jī)。主控室操作員在電腦上操作，確定要控制的電力機(jī)車，一臺(tái)電力機(jī)車只能由一個(gè)控制臺(tái)來選擇，這時(shí)，控制臺(tái)與實(shí)際控制的裝置建立了聯(lián)系，它發(fā)出的命令僅控制選定應(yīng)答的受控目標(biāo)。本模塊是對(duì)電力機(jī)車的各項(xiàng)操作及生產(chǎn)報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)電力機(jī)車的查詢、故障信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3.3 運(yùn)行單元

地面遙控操作員利用電腦系統(tǒng)，將載重命令發(fā)送到破碎作業(yè)調(diào)度，由調(diào)度員按照作業(yè)進(jìn)度，操縱"信集閉"自動(dòng)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)電力機(jī)車的運(yùn)行軌跡及可啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)井下道岔和信號(hào)燈進(jìn)行自動(dòng)控制，由地面操作員依據(jù)自身的機(jī)車位置及“信集閉”系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，遠(yuǎn)程遙控機(jī)車至指定的裝礦溜井[4]。

3.4 通信單元

基于TCP/IP 協(xié)議，以工業(yè)Ethernet 為骨干，采用Wi-Fi 技術(shù)，在礦井下設(shè)置幾個(gè)Wi-Fi 基站，構(gòu)成了1 個(gè)由主干和1 個(gè)無線基站組成的棒狀網(wǎng)絡(luò)，對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋，并在電機(jī)車上安裝Wi-Fi 通信終端，在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)。通信系統(tǒng)采用一體化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如工業(yè)交換機(jī)、無線基站、車載終端、電源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理軟件等。整個(gè)通信系統(tǒng)分為兩大部分：①管理部分，通過監(jiān)視器，實(shí)現(xiàn)通信過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，包括主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、供電設(shè)備等，軟件具有網(wǎng)絡(luò)配置、監(jiān)控、通信故障診斷、定位和報(bào)警功能，以滿足網(wǎng)絡(luò)管理的特定需求[5]；②資料傳送部分，數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)包括工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)電源、無線通信基站、車載數(shù)據(jù)終端等。無線基站通過有線接入工業(yè)以太網(wǎng)，并可以根據(jù)礦井的布置和礦井的位置，靈活地選擇網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對(duì)礦井主巷的Wi-Fi 覆蓋。井下裝置采用開關(guān)接口接入以太網(wǎng)，通過在井下安裝現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制和配置查詢。該系統(tǒng)分為上下兩部分，地面控制室配備了網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)，核心交換機(jī)，U1’S 供電。礦井部分按實(shí)際情況設(shè)置了幾個(gè)工業(yè)開關(guān)、無線通信基站、電源箱，每臺(tái)電源箱為1臺(tái)基站供電。該系統(tǒng)采用了方位天線和全向天線的組合，在直向基站中，利用2 個(gè)倒置的定向天線，向前、后2 個(gè)方位接收和接收無線電信號(hào)，在實(shí)際構(gòu)建中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度，調(diào)整節(jié)點(diǎn)的位置、天線類型、方向和數(shù)目，以達(dá)到覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目的。

3.5 裝礦單元

電力機(jī)車按照指示開往指定的采場(chǎng)，由主控室的操作員在電腦的操作下，選定所要控制的滑井裝礦設(shè)備（這是唯一的選項(xiàng)，也就是每個(gè)滑井的2 臺(tái)振動(dòng)采礦機(jī)都可以由1 個(gè)操作臺(tái)來選擇），這時(shí)，控制工作臺(tái)的操作與被控制裝置建立了聯(lián)系，它發(fā)出的命令僅對(duì)選定的受控目標(biāo)進(jìn)行控制。采用-180 m 水平1#變電站的PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，在每1 條線路上安裝了自動(dòng)控制子站，并與各溜井的振動(dòng)放礦機(jī)進(jìn)行了連接與控制，并對(duì)13 臺(tái)振動(dòng)放礦機(jī)進(jìn)行了自動(dòng)控制。對(duì)13 臺(tái)振動(dòng)放礦機(jī)，26 臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了電氣改造，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制，利用PLC 實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)的數(shù)據(jù)采集，并利用已有的自動(dòng)化光纜與主控室進(jìn)行雙向通信，在地面操作臺(tái)上選定了溜井放礦機(jī)，并與所選放礦機(jī)建立了聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了主控室對(duì)選定放礦機(jī)的控制。在確定了溜井放礦機(jī)之后，要按照選定的溜井編號(hào)，切換控制臺(tái)的監(jiān)控屏幕，將13 個(gè)溜井的放礦機(jī)安裝在一起，并與主控室的裝礦控制臺(tái)相連。主控室操作員通過監(jiān)控視頻，在控制臺(tái)上安裝了一個(gè)控制手柄，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采礦機(jī)振動(dòng)放礦和電機(jī)車的遙控定位，在溜井施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置參考標(biāo)志，方便地面上的視頻觀測(cè)，以確保在裝礦時(shí)能裝滿，不出現(xiàn)超高漏礦等。每一溜井振動(dòng)放礦機(jī)均設(shè)有A、B 兩臺(tái)電機(jī)，采用控制選項(xiàng)，可使2 臺(tái)電機(jī)或1 臺(tái)單機(jī)同時(shí)工作，設(shè)置礦石停止控制鍵以避免錯(cuò)誤操作，放礦作業(yè)中的突發(fā)事件處置：將放礦機(jī)的主電源控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)相連接，以保證處理突發(fā)事故。如果放礦機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，不能停止放礦機(jī)的放礦，則可由操作平臺(tái)的控制開關(guān)關(guān)閉主電源，確保放礦機(jī)的安全。當(dāng)主控臺(tái)和井下自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生通信故障時(shí)，該放礦機(jī)的主電源會(huì)立刻切斷，以確保安全，鑰匙開關(guān)帶鎖，以避免非操作者的誤操作[6]。

3.6 卸礦單元

當(dāng)遠(yuǎn)程裝卸作業(yè)結(jié)束后，地面遙控操作員將命令發(fā)送到破碎作業(yè)調(diào)度，調(diào)度會(huì)根據(jù)作業(yè)安排，有選擇地將物料送到卸料場(chǎng)，而碎料調(diào)度則利用“信集閉”的綜合協(xié)調(diào)與指揮功能，對(duì)電力機(jī)車的行駛路線和啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行控制，并將命令從裝料站開到卸貨站。機(jī)車遙控員按照系統(tǒng)的指示，操縱電力機(jī)車進(jìn)入卸料站，利用控制車速，確保機(jī)車平穩(wěn)地通過彎軌卸料設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)卸料和卸料自動(dòng)化清理。

4 結(jié)語

通過在主控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)電力機(jī)車的各種運(yùn)行命令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行判別，進(jìn)行聲響、光電告警，完善自動(dòng)運(yùn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)以區(qū)間標(biāo)定速度，遙控電力機(jī)車從卸載點(diǎn)至裝載點(diǎn)往返的全過程操作，通過遙控采礦放礦機(jī)，以標(biāo)稱裝載能力為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控采礦作業(yè)，使井下礦工、機(jī)車司機(jī)等人員的作業(yè)從井底向地面轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)化作業(yè)，提高了作業(yè)質(zhì)量。