煤矿轨道运输“信集闭”系统设计

陈子瑞 陈威兰 柴柯雅 张宏伟

（河南理工大学电气工程与自动化学院 河南省焦作市 454000）

煤矿机车轨道运输由于具有机动、灵活的特性，是矿井平巷运输系统中的主要运输设备之一，在煤矿主、辅运输系统中应用广泛。近年来，随着国有矿井自动化水平的提高，矿井产量大幅提升，大巷运输需求不断增加，轨道安全运行压力逐渐增大。矿井轨道运输监测监控“信集闭”系统对于保证矿井轨道运输安全高效运行具有重要意义。《煤矿安全规程》（2016版）第377条规定，新建大型矿井的井底车场和运输大巷，应当设置机车运输监控系统或者运输集中信号控制系统。

为了保证机车运输安全高效运行，本文利用设计一个适用于煤矿井下机车运输的“信号、集中、闭塞”系统，能够实现机车精确定位，提高运输效率，提升矿井的自动、网络化水平。本系统采用PLC系统作为控制器，PLC编程采用LAD编程语言，程序以梯形图显示。便于工作人员在现场进行调试、查找故障。与传统微机控制比较，PLC具有可靠性高、检修容易、检修成本低等优点。

1 “信集闭”系统总体方案设计

“信集闭”系统总体结构如图1所示，采用PLC作为控制器，利用工业以太网组成通信网络。主要由PLC控制系统、信号灯、车辆传感器、道岔控制装置等设备组成。

在每一个控制分站，均设置了道岔控制装置、车辆传感器、无线收发器、信号灯显示几部分。每个分站均由PLC进行控制，控制分站之间的通信由工业以太网完成，并与上位机进行数据交换。PLC根据上位机的控制以及事先排列完成的联锁表确定信号灯的显示以及道岔的控制，通过无线收发器和车辆传感器完成对机车位置的定位。上位机设置了电子显示屏，实现信息的实时显示，上位机设置在地面的中心站内，实现在地面对地下矿井的控制。

2 RFID无线射频定位系统设计

目前煤矿采用的定位系统主要有行程开关、激光定位、GPS定位等方式。这些传统的定位方式对于工作环境的要求较为严格，行程开关可能存在由于碰撞导致定位设备损坏的情况，激光定位和GPS定位整体价格较高，在短距离操作环境下定位效果较差。在列车定位方面，国内外主要使用的方法有轨道电路法、感应回线法等，这些方法通常使用在国铁或地铁系统内，这些系统所处环境相对煤矿较好，设备发生故障检修较为容易，煤矿由于其特殊性，需要一种工作稳定、定位精度高的定位方式。RFID定位技术目前已经是一种较为成熟的通信技术，目前广泛应用于物联网、交通等工业领域，该技术能够实现机车的精确定位、能够显著提高运输效率。

无线射频定位技术方案如下，在无线射频系统的基础上附加了机车定位处理单元和车载数据阅读/发送单元，工作原理如图2所示，车载阅读器读取电子标签信息，传送给机车定位处理单元，定位处理单元会将阅读器传送来的定位信息和辅助信息做比较，计算矫正定位信息，得出机车准确的位置，然后对定位信息通过车载发送器发送给列车控制台。

无线接入点用于提供无线信号覆盖和定位基站上联汇聚。定位基站用于和定位标签进行信息交互，并将定位数据通过无线网络上传。定位标签安装在机车上。每隔80-100米布置一个定位基站，基站位于巷道顶部，定位基站通过内置Wi-Fi网关连接附近的AP，AP采用千兆以太网连接到交换机。

3 控制分站系统设计

传统国铁使用的ZK4电空转辙机，包含了现场的ZK4电空转辙机和室内的继电联锁部分。考虑到煤矿井下没有安装继电联锁设备，传统的转辙机及继电联锁无法使用再井下道岔控制上，本设计将去除室内继电联锁部分，改使用PLC直接控制转辙机，如图3为去除继电联锁电路的ZK4电空转辙机电路。图中定位、反位引脚直接与PLC连接。作为转辙机位置表示输出到PLC。定位、反位操作输入引脚在输入低电平时使能该操作，实现了使用PLC直接控制道岔的目的。

ZK4电空转辙机的动力是压缩空气，电磁闭锁阀由压力开关所控制，当气压消失时，压力开关关闭使得当前状态的道岔不能转换，这样可以保证转辙机的正常工作。当压力不符合标准的情况下，YLJ压力开关节点会断开，此时电磁锁闭阀失电，将转辙机锁在当前位置，防止了错误动作。传统的ZK4转辙机没有失压检测电路，利用继电联锁组合控制，只能通过定位操作或反位操作之后其相对应的表示电路是否到位来判断转辙机是否发生失压故障，这样检测不仅效率低，对井下运输影响巨大，而且会出现机车进路排列错误，使列车发生追尾事故。本设计在电磁阀回路增加了继电器表示电路，连接到PLC用来检测是否发生气压不标准所造成的故障，极大程度的提高了系统的整体安全性。

4 组态显示设计

组态模块由组态软件组态王King View完成。主要显示整个运输系统的信息、工业现场的实时信息、机车运行信息、道岔状态以及发出道岔控制的命令。组态设计主要完成主显示页面的组态、实时数据库的配置等。

当系统开始工作后，组态软件循环访问PLC主控制器当前信息，并通过显示界面将道岔、信号机、轨道的占用情况及无线查询到的机车信息显示出来，并记录当前数据进行备份，此时的组态软件充当监控站，一旦出现异常组态软件立即切换运行方式为控制站，排除故障。处在控制站状态的组态软件可以根据联锁表进行排列进路的操作，完成机车一次安排进路、进路开放、区段解锁作业。

图1：“信集闭”系统网络结构图

5 系统改进方案

本系统对列车进路的排列，主要是根据矿区实际设备位置等信息，提前编制联锁表，将联锁表信息存储在上位机内，在实际控制中，根据联锁表信息决定机车的进路以及信号机显示、道岔位置等。这样的设计使得整体系统的应用具有一定的局限性，只能使用在某一特定矿区，缺乏普适性。针对这一情况，可以采用相应的算法，智能计算列车进路，使得整个系统的普适性大幅度提高，获得更大的市场前景与运用空间。

6 结语

本文根据煤矿轨道运输与国铁运输的不同，结合现场实际情况，基于PLC控制，结合RFID定位技术，设计了一种适用于矿山使用的“信集闭”系统，实现机车运输的自动监控，提高了运输的自动化程度，保障了煤矿的运输安全性，有效的提高运输效率及煤矿信息化建设水平，对于增加煤矿经济效益有很大的帮助。通过本系统的应用，使得煤矿轨道运输系统在地面实现对井下的调度、指挥以及监控，对煤矿的安全生产有很大的意义，地面调度系统，给调度员合理指挥机车运输提供了安全的平台，使得本系统有很好的推广前景。

图2：RFID 机车定位系统结构图

图3：PLC控制ZK4电空转辙机电路示意图