煤矿井下电机车运输监控技术的应用与发展

黄河， 曾鹏， 王信， 刘福华， 黄光平

（1.宜宾职业技术学院，四川宜宾644003；2.川煤集团芙蓉杉木树矿业公司，四川宜宾644500）

1 引言

井下电机车运输是煤矿重要而且必要的运输方式之一。国内外大量实践早已证明：轨道机车的运输效率和经济效益不仅取决于机车、线路等方面的因素，而且在很大程度上取决于监控系统的功能。《煤矿安全规程》中规定［1］：“在新建和改扩建的大型矿井井底车场的运输大巷，都应设有信号集中闭塞系统”（即“信集闭”系统）。同时，建立可靠、稳定的“信集闭”系统，实现信号采集、进路开放、道岔转换，也是合理调度机车、提高运输效率、保证煤矿生产安全、实现井巷运输现代化的重要途径。

井下运输的“信集闭”技术系统主要包括三大部分［2］：一是各种信号的显示，供司机和调度员了解线路开通与机车运行状态；二是各信号之间与电动转辙机之间的互相连锁，以防止误操作，保证行车安全；三是设在调度室的模拟显示集中控制盘，集中控制和监督电机车运行。

“信集闭”技术在我国发展历史较长、型式多种多样。尽管多年来对煤矿井轨道运输“信集闭”系统不断进行研究，但目前尚未有明显效果［3］。因此，本文通过剖析“信集闭”技术发展历程，跟踪最新技术前沿，探讨煤矿井电机车运输监控系统的关键技术和发展趋势，对于研究和开发新型的煤矿井电机车运输监控系统十分必要。

2 “信集闭”技术的发展历程

“信集闭”技术主要经历了继电器逻辑控制、可编程序控制器（PLC）控制及计算机控制三个阶段［4，5］。

2.1 继电器逻辑控制

第一代“信集闭”系统出现在1960年代，它采用以硬接线逻辑为主要特征的继电器逻辑控制。相对于人工调度、人工扳岔，虽然能提高运输效率，安全和节省劳力等，但设备故障多，可靠性差，尤其是随着使用年限的增加因元器件老化或机械触点磨损导致机械故障率和电气故障率骤升，系统运行效率低下，安全事故频发。且因系统结构复杂，现场不易维护，更新换代困难，因此未能推广应用［5］。

2.2 PLC控制

1980年代以来，以PLC控制为主的“信集闭”系统逐渐取代继电器逻辑控制。它采用软接线逻辑控制，简化了系统结构，提高了可靠性；但在整体结构、控制方式、信息传输等方面仍无法突破继电器控制模式，不能从根本上解决继电器控制的痼疾。例如以梯形图为基础的控制方式在继电器原理图的基础上演变而来，智能化水平较低；信息的传输方式仍然是点对点，耗费大量电缆；显示方式仍然是模拟盘，显示信息量小，无法满足实时监控的需要；系统的适应性和灵活性较差，致使整个系统性价比过低，不利于推广普及［3］。

2.3 计算机控制

随着微电子技术、检测技术和网络通讯技术的发展，计算机监控系统经历了从DDC（直接数字控制）到DCS（集散控制系统）和FCS（现场总线控制系统）的发展历程。DCS是目前正被广泛使用的一种信集闭系统，如KJ15A矿井轨道运输监控系统，它把多个控制分站分散到现场，实现了地面主控室对井下机车运输的实时监控和自动调度，其控制灵活性大大增强，但仍然存在许多缺点［6］。

FCS兴起于1990年代，它突破了DCS采用专用通信网络的局限，采用了开放式、标准化的通信技术，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带实现一对多的信号传输，进一步简化了DCS的系统结构，形成了全分布式的系统构架，把控制功能彻底下放到现场。FCS被称为21世纪的工业控制网络标准，在矿井运输监控系统中具有广阔的应用前景。

3 典型运输监控系统及其应用

目前各大矿井轨道运输监控以DCS系统为主，如KJ15A、KJ221、KJ293、KJ562 等［7，8］。KJ562 系统基于工业以太网，采用分布式结构，以地面调度站取代井下调度站，以多屏LCD或CRT显示器取代模拟盘，采用柔性调度算法实现机车自动化调度。该系统能实时显示井下大巷电机车的运行状态和环境参数，并传输到地面调度室；机车自动调度系统根据实时监测到的数据信息，实现自动扳岔、切换中枢、开放信号机，并自动封锁敌对进路，确保机车安全运行，降低了操作人员的劳动强度，大大提高了机车的运输效率。系统主要设备包括地面管理主机及软件、井下以太网交换机、井下监控分站、转辙机控制器、井下防爆兼本安直流稳压电源、信号灯、位移传感器等。

4 关键技术及发展趋势

4.1 电机车运输监控中存在的主要问题

煤矿井下运输“信集闭”系统是提高矿井运输能力，保证安全生产、提高产能的重要手段，在一些自动化程度较高的大中型矿井中逐渐普及。但大多数中小型矿井还处于人工扳岔状态，调度员不能即时掌握机车运行动态；且井下常年潮湿、粉尘严重、电磁干扰强等，不适宜安装常规铁路信号装置［9］。井下机车运输能力一直都是提高矿井安全生产效能的重要制约因素。

我国煤矿井下电机车运输监控系统的数字化、现代化进程与国外还有很大差距。目前在大中型矿井中使用的国产KJ15A、KJ221等系列矿井机车运输监控系统，采用多层总线星型混合结构的二层网络，能实现机车的运输监控、调度和信号显示，但是仍然无法满足最新煤矿井安全生产要求以及规范。归纳起来主要包括以下三个方面：

（1）信号采集、传输及抗干扰能力：在“信集闭”系统中，信号的采集是最关键的，也是最频繁的。传感器的准确性、稳定性、可靠性以及信号传输的实时性及抗干扰能力，是电机车运输监控的重要基础。对于大范围分布式系统，大量的I/O电缆及辅助设施施工不但增加成本，而且降低了系统的可靠性。

（2）智能优化调度问题：由于井下岔道复杂，机车运输任务繁重，极易造成翻车、出轨、追尾、对撞、撞人等安全事故。因此，对电机车进行实时定位及自动优化调度非常重要，将直接影响运输安全和经济效益。

（3）开放性及扩展能力：随着矿井的不断开采，井下轨道运输必须不断拓展，这就要求运输监控系统具有良好的扩展能力和可集成性，而现有的DCS系统兼容性很差。

4.2 电机车运输监控关键技术及发展趋势

电机车运输监控系统主要涉及到传感检测、视频监控、网络通讯、智能控制等关键技术。

（1）传感检测技术：从我国“信集闭”的发展来看，过去所用的信号采集器件主要有：辅助导线、水银开关、超声、无线感应等。但这些采集元件均因可靠性差和维护量大等逐渐被淘汰。现在通过大量实验和不断摸索，一种磁感应式的无源干簧管以其采集信号的可靠性高、安装方便、维护量小正被普遍采用。

（2）视频监控技术：目前国内煤矿井下装备的工业电视监控系统主要有KJ28和KJ32两种型号，用光缆作为传输介质，一路图像传输占用一根光纤，图像不能在现有的监测监控通信网络平台上同时传输。也可以采用惯性导航技术实现井下机车的精确定位，并通过组态软件实现机车位置和运行状态的远程监控和实时模拟［10］。

（3）工业网络通讯技术：现场总线和工业以太网是目前工业控制中的首选通信网络。现场总线具有良好的开放性、互操作性和系统结构的高度分散性，但传输距离受限；工业以太网传输距离远、速度快，能够实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接，但现场传输的稳定性较差。根据煤矿井下机电运输的特点和数据传输的需要，井下无线传输、多点射频通信技术［11］是底层数据集成的关键；地面调度和实时监控及其与生产管理系统的联接是现代化生产的必然要求。因此基于现场总线和工业以太网的通信技术在煤矿井下机车运输监控中具有广阔的应用前景。

（4）智能控制技术：近年来，人工智能技术在工业控制中应用日益广泛。在机车调度和系统故障诊断中可引入人工智能技术，实现机车的智能优化调度，从而提高机车运输效率；通过建立故障专家库，模拟神经网络，增强系统的自诊断和自学习能力，提高监控系统的稳定性和可维护性。

4 结语

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，各种技术的融合应用，在现有基础上研究开发新型的煤矿井电机车运输监控系统，建立功能更加完善和运行更加智能化的“信集闭”系统，实现对煤矿井电机车运输的实时监控、智能调度和故障处理，对于保障机车运行的安全性、提高煤矿生产效率、降低劳动强度，实现煤矿井的全面数字化和现代化具有非常重要的现实意义。

［1］ GB/T 16179-1996，煤炭安全规程［S］.

［2］ 马征途.信、集、闭在煤矿机电运输方面的作用［J］.中小企业管理与科技，2011（9）：266.

［3］ 华钢，张君.一种新型矿井轨道运输信集闭系统［J］.煤矿机电，2007（4）：72-75.

［4］ 张君，华钢.新型信集闭系统的构建及其实现［J］.煤矿机械，2007（7）：143-145.

［5］ 华钢，左明，兰献宸.KJ14-A轨道运输信集闭系统［J］.煤炭科学技术，1993（12）：49-52.

［6］ 张海明.一种新型煤矿"信集闭"系统的研究［D］.青岛：山东科技大学，2009：3-4.

［7］ 王军平.KJ15A矿井机车运输监控系统的应用［J］.煤矿机械，2006（1）：162-163.

［8］ 吴同性，王泰民.KJ293型矿井机车运输监控系统在轨道运输中的应用［J］.矿山机械，2010（4）；80-81.

［9］ 梁吉胜，王奇，张乐.关于KJ2010型矿井机车运输集中监控调度系统的研制与应用［J］.矿业工程，2011（2）：67-68.

［10］ 王鑫.基于精确定位技术的煤矿井下电机车监测系统的研究［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2010：12-28.

［11］ 李英建.煤矿井下机车运输监控系统关键技术研究［D］.青岛：山东科技大学，2009：27-29.