基于智能终端的安全高效牵引轨道式设备列车及在线防跑车系统

刘艳东

（国家能源集团神东煤炭集团锦界煤矿管理处，陕西 神木 719300）

作为国家基础性的化石能源，煤炭一直以来都扮演着举足轻重的角色。井工煤矿综采工作面在回采过程中依然受地质构造的影响，两顺槽有明显地起伏和变坡，尤其是布置设备列车的巷道，在回采过程中需要不断频繁移动设备列车。以往拉设备列车操作方式是由一名绞车司机在大绞车旁使用三联按钮操作，实现绞车前进、后退、快速、慢速，皮带沿线站人，通过头灯晃摆来传递信号，以此来保证作业的安全。在设备车运行过程中，绞车司机受巷道照明、距离、起伏等条件的限制，发现问题往往靠灯光信号一个一个接力传递给绞车司机，来达到信息传递，效率低下，且安全没有保障。

目前国内煤矿综采工作面采用以往牵引设备列车的方式，在传递信号的过程中，往往会出现信号不及时、或者误传递信号的现象，不能实时掌握设备列车的运行情况，这样在拉设备的过程中存在极大的安全隐患。为了保证设备列车正常运行，往往要派专人对设备列车进行实时跟车，这样就造成一定的安全隐患，设备列车运行中如果脱轨、翻车、跑车、断绳，将会对跟车人员及巷道内的人员产生极其不利的后果。如联系不及时，绞车不能及时停止，或在巷道有坡度的情况下在拉动设备时，因为列车重力增加极易导致列车在拉动行进过程中造成向前或向后跑车、或损坏列车上的设备或拽松设备电缆插头，其维修时间长、成本高，而且影响生产。同时，在移动列车周围作业，还存在严重的安全隐患，比如：人员登高作业有跌落的风险；人员辅助拉移列车有被列车挤伤的风险；人员有多人作业配合不当，信号传递不及时、不畅通，或传递错误导致人员受伤等。

为了实现煤矿综采工作面设备列车的牵引即拉即停，沿线任何人员随时发现问题能即刻停止绞车的牵引，通过集思广益研究出智能终端安全高效牵引轨道式设备列车。同时还设计研究了列车防跑车系统，使列车在跑车起步时就能有效地进行防跑，防止发生跑车事故。

1 智能终端安全高效牵引轨道式设备列车的研究

随着煤矿开采技术的数字化、信息化、自动化和智能化，全国先进的煤矿井下已经实现了4G网络，防爆智能终端已全员投入使用中。人们开始研究怎么利用先进的智能终端技术来对设备进行检修，实现在线监测或数据上传。使用电子设备来取代纸质检修工单或实现视频记录检修质量及内容，做到检修的可视化、可控化、记录可实时查询功能。最终，经过多方人员的共同努力，研究了一种利用井下防爆智能终端来控制牵引绞车，以此来实现综采工作面的轨道设备列车的迁移，很好地解决了由于巷道起伏、灯光信号不清晰、传递信号不畅等因素带来的一系列问题。

由于煤矿技术的发展，为了更好地全面实现采煤的信息化、自动化、智能化，设备列车上的设备越来越多，一个综采工作面的设备列车有时长达200 m，为了能实现列车的安全高效牵引，设计人员编制了控制绞车牵停的APP程序。在牵引绞车、设备列车段及单轨吊顺槽设置了6台无线基站（绞车处1台，列车头部1台，中部2台，列车尾部1台，自移机尾1台），每台基站的辐射范围为60 m。同时设备列车段配5台防爆蓄电池（列车头部1台，中部2台，列车尾部1台，自移机尾1台，绞车处的基站电源使用开关电源输出127 V）给无线基站提供电源。为了安全高效地牵引或停止绞车，牵引列车时配备8台防爆智能终端分别由7个人持有（大绞车处1台，绞车与列车间1台，列车头1台，中部2台，列车尾部1台，单轨吊电缆中间1台，自移机尾1台）。如图1所示。这套利用智能终端来自动控制设备列车的牵引系统的成功试验，成功地实现了绞车的自动控制，解决了牵引设备列车时人员信号传递不畅或信号传递错误导致的误动作最终导致设备损坏甚至严重的造成人员伤亡的问题。这套智能终端的投入使用，使设备列车的牵引变得非常轻松、可靠、简单、高效。使井工煤矿在设备列车牵引技术方面成功迈出了一大步。这套系统的研究及成功，使牵引设备列车从源头上做到了本质安全。基层使用该系统的一线员工表示，系统非常好，智能终端的操作既简单又可视化，既高效又灵敏；得到了基层区队长及矿领导的高度赞扬和大力支持。全国井工煤矿对设备列车的牵引控制均可以使用它，该系统具有很好的普及和推广的意义。

图1 轨道式设备列车智能终端

2 设备列车在线防跑车系统的研究

当今的煤炭生产自动化水平不断提高的同时，开采煤矿时的辅助运输系统上的安全也越来越得到人们的重视。煤矿生产有着它自身的独特之处，尤其是井下极为复杂的地质条件，给安全生产带来了很多的不利，由此导致了事故的发生，所以这就对设备列车防跑车的安全问题提出了很高的要求，必须做到安全高效牵引至合适的位置，列车的防跑系统一定要做成在线能实时监测，实时能实现传感、防跑阻尼。

利用智能终端控制设备列车的高效安全牵引已经实现的同时，为了解决设备列车存在跑车的这个高风险问题，排除牵引列车的安全隐患，使综采设备列车能安全高效地牵引至合适的位置，技术人员又研究了一套设备列车实时在线防跑车系统。

（1）后退式防跑车装置：设备列车连接板之间加防后退式阻尼槽钢扒手，这种槽钢扒手在设备列车段安装6组。当设备列车向前牵引时若突然发生后退或溜车时，本装置支撑件着地端就会触碰到轨道枕铁上，其反向阻力就会相应增大阻止列车后移，这样就实现了设备列车牵引时防止后退溜车造成设备或人员受伤的高风险。

（2）前进式防跑车装置：在设备列车头部、中部（2台）、尾部安装无线分站和防爆蓄电池板车的连接板处，安装电磁吸盘、速度传感器、信号转换器、特制的阻尼伸缩油缸、液压单向锁、油缸可调定的安全阀，手柄操纵阀等。

2.1 设备列车前进式防跑阻尼装置原理

速度传感器≥1.5 m/s时（列车上安装的速度传感器相对列车固定轨道的速度），智能终端APP程序自动实现实时停止绞车牵引，同时列车4组速度感应装置同步动作，信号转换器接收到断电信号，电磁吸盘即刻断电，电磁吸盘断电失去吸力，释放可伸缩阻尼油缸，阻尼油缸一头落地，此时油缸活塞杆头顶住轨道枕铁，开始阻尼跑起来的列车，直至列车停止；当油缸内腔压力过大，达到安全阀开启压力时，安全阀开启，保护油缸。当列车停车后，给系统送电，开启乳化液泵，操作油缸手柄操作阀，完全收回阻尼油缸活塞杆，完全释放板车与轨道枕铁之间的相对压力，再次伸出油缸活塞杆，电磁吸盘吸住油缸活塞杆，做好下一次阻尼动作。这套设备列车前进式防跑车阻尼装置的设计，从源头上、本质安全上实现了自动化控制，实现了实时在线监测防跑车控制，杜绝了设备列车跑车可能造成的设备损坏或人员伤亡，如图2所示。

图2 防跑阻尼装置图

在日常设备列车静止的时间段，可断开电磁吸盘的电源，释放油缸活塞杆，实现列车静止状态下的前进式阻车的效果。这套设备列车前进式防跑车阻尼装置与后退式防跑车装置联合作用，共同实现了对静止状态下设备列车的阻车效果。这样就取代了目前大多数煤矿使用的板车轮毂前后安装的简易阻车器。这种联合阻车装置形成的系统取代传统阻车器，保证设备列车不跑车且安全高效的运行，做到了本质安全，提高了工作效率，降低了劳动强度。

2.2 硬件电路的设计

2.2.1 信号检测模块

本课题设计的信号检测采用两个位置传感器取监测设备电机同轴金属转盘上的金属节点，而后把金属节点的检出个数信息反馈至主控制芯片内，主控制芯片负责执行后续操作过程。为了增强本文防跑车系统的适用性，不建议应用常规的地面设备，所以选用欧姆龙厂家制造的本安型位置传感器，其也被叫做接近开关。该传感器的检测距离是14 mm，误差是10%，检测物体以磁性金属为主，设定距离0～11.2 mm，铁30 mm*30 mm*1 mm是标准检测物体。在选用接近开关环节中，一定要注意到如下这个问题：本课题设计应用的接近开关型号为NPN型。主要原因是当由信号被触发时，信号线的输出OUT与地GND安全连接，在这样的工况下等同于输出线OUT是低电平，信号传输反复需要进到单片机的中断接口，而单片机的中断接口自身为低电平有效，所以系统设计时应用的是NPN型接近开关。

2.2.2 显示模块

本次课题设计中，针对由传感器传送而来的信号，一定要将其直观地呈现出来，工作人员在早期一定要设定几个数值，这几个值额度作用主要是和传感器传送过来的信号做对比分析，进而调控系统后续动作执行情况，并且也要求直观的呈现出这几个值。考虑到经济性原则及系统应用环境的特殊性，通常选择四位数码管。

（1）参照既往大量实际案例后决定选用74HC238芯片，选择其的原因主要有两点，一是提升防抱死系统在特殊工况下的耐用性，并配置应用三极管以给数码管位选端提供充足的电流，确保系统能长时间运行。三极管自身的另一端要有高电平方能正常导通，所以设计中采用了译码芯片。二是通过使用74HC238芯片，可以利用其顺利的连接后8位的位选，且该芯片的输出恰好为8位，而输入只有3位，有助于节省资源。

（2）显示模块硬件电路。本课题设计中，需要将两个数码管的8位位选衔接至74HC238的8位输出端，实质上就是Y0-Y7。A0，A1，A2依次和单片机的P2.0，P2.1，P2.2连接，会在外部呈现出仅有8个段选引脚。这8个段选端依次和单片机的P0.0-P0.7连接，中间添加了220Ω的上拉电阻，以防因局部电流过大而烧损数码管，如图3所示。

图3 显示模块的硬件电路

2.2.3 电源模块

本系统共设计了DC12V和DC5V电源。DC12V为接近开关供电。因为系统设计时配置了单片机及很多逻辑芯片，故需要DC5V进行供电。本课题设计应用了外部开关电源供电，分析为实现PCB板的整体性与安装过程的便捷性，尽量在一块PCB板上集成所有部件，而整个系统正常运行过程中需要两种不同电源的支持，故而应用7805稳压芯片把DC12V电压转变成DC5V，借此方式为PCB板提供DC5V电源，DC12V电源是外部开关供给的。

2.2.4 控制模块

在本文设计内，当检出接近开关传送的信号时，主控芯片便会智能对比信号与前期存储于芯片中的数据，以此为据确定后续是否操作继电器的动作过程，如图4所示。

图4 继电器控制电路

2.2.5 调节模块

在防抱死系统运行的早期，相关人员需要设定几个固定值去和传感器传送的信号进行比较分析。但是以上这几设定值并不是设定后就不允许做改动的。因为系统运作环境的不确定性造成一次试验结束后不一定就能得到确定的结果，故而需要结合现场实际情况有针对性的调控设定值。在设计系统单片单片机时，最常用的调节设备就是键盘，其有造价成本低，功能实现快捷、精准等优势。本系统设计时共计用到了4个独立按键，三个非自锁式，另一个自锁式。以上两种不同形式的差异可以作出如下阐述：非自锁式仅是于按下的一刹那导通，松开后自动断开；而自锁式按下以后会始终导通，再次按下才方能转变成断开状态。设计此系统时，非自锁式用在调节设定值大小与切调不同设定值的环节中，自锁式则被用在进入调节模式方面。

2.2.6 主控芯片的最小系统

（1）振荡器：振荡器为单片机系统正常运作的必需条件之一，若其工作状态异常，那么防抱死系统就不能按照设计模式运作。运行不规则是振荡器的常见异常，此时系统容易出现时间上误差或更为严重的时间混乱，影响电路的通信过程。本文设计采用的振荡器是由晶体振荡器于两个瓷片电容（C1，C2）构成的，C1，C2分别接单片机的XTAL1，XTAL2引脚，在电路系统内晶振和瓷片电容均没有正负极之分。

（2）复位电路：单片机正常运作时，能够给复位引脚发送一个连续性的低电平信号，此时系统就会复位，在这样的工况下不管系统运行到任何程度，均会重新开始启动。上电复位是常见的复位形式，在系统刚一通电时，因为两个瓷片电容间存在着电荷震荡，这样给系统一个时间很短的低电平。

3 结束语

在当今科技高速发展的大背景下，煤矿井下的机械化水平也在逐步提高，煤矿井下辅助运输的安全要求越来越严格。煤矿井下综采工作面的列车迁移及防跑车控制方面的要求也越来越高。但在设备列车的牵引控制及防跑车措施及控制方面做的工作还远远不到位，不能从本质安全上来实现设备列车牵引的绝对安全。列车溜车、跑车、掉道事故还是频发，列车发生的小事故是对设备或运输皮带造成了毁坏，严重事故就会造成人员的伤亡。煤矿井下综采工作面庞大的设备列车牵引，长期受巷道的起伏和变坡因素影响，还列车过长、传递信号不畅等因素的制约，使设备列车牵引的安全隐患一直长期存在且风险非常大。但通过利用智能终端APP控制绞车，使庞大的设备列车牵引从源头上实现了高效安全地运行，同时还通过速度传感器装置实现了实时停止智能终端绞车APP系统。与此同时，通过速度传感器装置还实现了设备列车前进式在线防跑车和后退式防跑车系统的设计。最后，该防跑车系统取代了列车静止状态下使用的阻车器。

基于智能终端安全高效牵引轨道式设备列车及设备列车在线防跑车系统的研究，完全符合当前形势下创新创效的大背景，完全跟上了煤矿机械化、自动化、智能化的发展节奏，对今后井工煤矿轨道式设备列车的发展起到了积极的作用，具有极大的推广和应用意义。