矿井轨道运输监控和调度智能化控制系统设计 *

吴 波

(临汾市煤炭设计院有限公司，山西 临汾 041000)

0 引 言

当前国内绝大部分煤矿开采得到的煤矿物料需要通过运输装备将其输送到指定的地点，其中轨道运输是矿井中使用频率较高的运输设施[1]。随着我国对能源需求的不断提升，每年开采的煤炭资源数量越来越多，这对煤矿开采效率及输送效率提出了更高的要求[2]。在日益繁重的运输任务条件下，轨道运输更加容易出现追尾、撞车等安全事故，轻则影响煤矿企业的经济效益，重则会威胁到设备及人员人身安全[4]。所以，工作人员充分掌握矿井轨道运输系统的运行状态，应用先进的矿井轨道运输系统设计监控和调度智能化控制系统，对井下各轨道运输车辆进行科学合理的调度，是确保轨道运输安全的重要措施[5-6]。

1 轨道运输智能化控制系统整体方案设计

1.1 方案设计

通过前期调研发现很多矿井中建设的轨道运输调度系统普遍存在调度效率低，甚至调度不准确等问题。为解决这方面的问题，利用当前先进的网络技术、控制技术及自动化技术等，提出了矿井轨道运输监控和调度智能化控制系统设计方案，具体见图1。

图1 轨道运输监控和调度智能化控制系统设计方案

整个控制系统可以划分成为两个部分，分别为井上和井下部分。其中，井下主要是个控制分站和控制主站，作用是利用网络摄像头和各种传感器等对井下轨道运输装备的运行状态进行实时监测。井上部分的作用是对井下轨道运输的状态进行监测、显示，并对井下轨道运输车辆进行调度，包含的设备主要有数据服务器、监控计算机及对应的监控大屏等。井上和井下部分通过环网交换机实现数据信息的交互。

1.2 控制系统工作过程

利用安装在轨道上的计轴传感器可以对车辆的运行状态及具体位置等信息进行收集，采集得到的信息传输到井下控制分站中。另外，现场采集得到的转辙机、信号机状态信息也需要传输到控制分站中。井上调度中心下达的控制指令需要通过控制分站实现对现场车辆、转辙机、信号机的控制。各控制分站通过以太网实现与控制主站的连接。控制主站通过环网交换机实现与井上控制和调度中心的连接。

当井上调度中心根据生产需要下达轨道运输调度指令时，控制系统立即智能化完成道岔和信号机状态检测工作。若各方面条件均能达到要求，则井下控制分站可以下达指令对需要调度的轨道路线转辙机进行控制，实现对应路段的闭锁，同时将信号灯开放。转辙机完成控制指令后会给控制分站返回一个信号。PLC控制器根据该信号分析道岔是否到位。如果判断道岔正常则机车可以正常通行，如果判断道岔没有动作到位，那么需要对其进行检测，确认故障问题排除后机车才可通行。

整个过程产生的数据信息全部通过工业以太网传输到调度监控中心显示大屏上，并且存储到数据服务器中以便查询。井上调度人员需要对井下设备进行控制时，只需在调度大屏上进行操作即可。在一些关键路段安装高清网络摄像头对现场情况进行录像，并将采集到的视频信息传输到调度中心，可以协助完成调度工作，提升调度过程的可靠性。

2 控制系统的硬件构成

设计的轨道运输监控和调度智能化控制系统，涉及到很多的硬件设施，其整体的结构框图如图2所示。从图中可以看出，PLC控制器是整个控制系统的核心部分，所有的硬件设施都需要与PLC控制器进行连接，并接受去控制。以下结合实际情况对本系统中比较重要的PLC控制器和计轴传感器进行介绍。

图2 轨道运输智能化控制系统硬件设施框图

2.1 PLC控制器

PLC控制器是整个智能化控制系统的核心，在分析智能控制系统的接口数量和性能要求的基础上，最终选用的是西门子公司研制生产的S7-1200型PLC控制器。该控制器具有体积小、性能优越等优势，在很多工业领域得到了广泛应用。CPU选用的是1214CDC/DC/DC模块，具有丰富的接口，可以和很多硬件设施进行连接实现数据信息的交互。

2.2 计轴传感器

计轴传感器的作用是对轨道上运行的机车位置及其信息进行检测，并传输到控制系统中进行分析和处理。因此对整个智能化控系统而言是非常重要的硬件模块，如果计轴器无法对机车信息进行准确检测，必然会扰乱整个调度系统的正常运行，甚至会威胁到轨道运输系统的安全。此系统中选用的是KG8007(A)型计轴传感器，该型号传感器专为煤矿环境设计，具有很好的防爆性能。计轴传感器的基本工作原理如图3所示，主要是利用机车在轨道上运行经过传感器部位时，传感器会产生一个脉冲信号，对该脉冲信号进行放大分析后，即可判断机车的状态信息。

图3 计轴传感器的基本工作原理框图

3 系统的软件程序设计

此系统的控制程序在STEP7V13软件中编写完成，图4所示为智能化控制系统软件结构框图。由图中可以看出，整个控制系统可以划分的功能可以划分为三大模块，分别为监控和调度模块、数据管理模块、系统管理模块。其中系统管理又由系统登录和用户管理两部分构成，目的在于确保控制系统的安全性。利用用户管理部分可以对所有用户进行综合管理，并明确不同人员的权限，且所有人员必须通过账号和密码登录后才可以使用系统。数据管理模块的作用主要是对所有的数据信息进行存储并管理。监控和调度模块又可以分为数据查询部分、操作界面部分和监控部分。井上调度人员通过监控模块可以对轨道运输车辆进行实时监控，并根据需要对井下车辆进行控制，实现轨道运输系统的智能化调度控制。

图4 智能化控制系统软件结构框图

4 实践应用效果分析

将设计的矿井轨道运输监控和调度智能化控制系统应用到煤矿工程实践中，对其运行情况进行了持续一年时间的测试，结果发现控制系统运行情况良好，整个过程中没有出现特别大的故障问题。其实践应用效果如下。

(1) 智能化控制系统的应用有效地解决了矿井轨道运输中机车追尾、交通堵塞等影响安全生产和生产效率提升的问题。目前轨道运输系统运行的秩序非常良好，轨道运输效率得到了明显提升，安全性也得到了很好的保障。

(2) 智能化控制系统的实践应用，矿井轨道运输系统可以根据实际需要实现智能化调度与控制。且所有的结果全部可在监控大屏上动态显示。可对井下的设备和车辆进行远程控制。显著提升了矿井的智能化水平。在很大程度上提升了煤矿企业的市场竞争力。

5 结 语

主要以矿井轨道运输系统为研究对象，对其监控和调度智能化控制系统进行了研究和设计，将矿井轨道运输智能化控制系统应用到煤矿工程实践中，显著提升了煤矿企业的智能化水平，使得轨道运输效率得到了显著提升，安全性也得到了很好的保障，为煤矿企业创造了良好的经济效益和安全效益。