劉鵬南

（山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司，山東青島 266600）

0 引言

金屬、非金屬礦山存在井下潮濕、高溫、粉塵等因素使得工作環(huán)境比較惡劣，存在較多的不穩(wěn)定性與不安全隱患,造成傳統人工駕駛電機車工作效率低下。同時存在調度不慎的情況，人工駕駛運輸過程中經常存在操作失誤，造成人員傷亡。為了減少惡劣環(huán)境中的作業(yè)人員數量，有效提高電機車運輸效率于運輸的安全性，降低礦石運輸成本,緩解井下安全生產壓力，開發(fā)新型井下智能運輸管理系統，打造生產運輸安全、高效、有序的人文化礦山。

1 礦井運輸設備現狀及改進方案

1.1 礦井運輸設備現狀

（1）隨著地下采礦規(guī)模的日益劇增，運輸距離和頻次逐漸增加，司機往往會失去警覺發(fā)生列車相撞、超速事故及脫軌事故，嚴重影響運輸巷的運輸能力。

（2）目前采用射頻模塊實現電機車定位信息，但精度不高，無法了解電機車的精準位置，容易使電機車因定位不精準，導致調度系統工作實效，嚴重影響礦井運輸效率。

1.2 5G 技術的促進

萊西公司在井下搭建5G 網絡，利用其低時延、大容量、高速率的特點進行通信傳輸與遠程操作控制的改造，在地表信息中心實時動態(tài)獲取井下人員、設備狀態(tài)和位置信息，進行裝載順序和工作計劃優(yōu)化，實現人機的最大化效率和統一調配。

2 系統內容

2.1 系統實施目標

系統以5G 通信及綜合軌道運輸監(jiān)控、編碼器精準定位、視頻圖像處理、液壓技術，對電機車的控制電路、駐車制動、受電弓等各個系統均進行升級改造，通過分析各子系統的控制需求，自主設計車載控制臺，集成控制指令給定、各開關量控制、控制模式轉換及人機交互顯示屏等所有功能。同時，將放礦控制并入系統，增加信集閉系統，實現道岔、裝卸礦自動控制電機車無人駕駛全自動運行。

2.2 系統組成

系統主要組成如圖1 所示。

圖1 井下自動運輸智能控制系統構成

井下有軌電機車智慧運輸系統（圖1）包括自動運輸用的電機車、電機車控制系統、5G 信號接收與轉換設備CPE、受電弓、礦車、5G 天線、5G 傳輸饋線、5G 基站RRU、PLC 主站、電腦終端、道岔控制PLC 子站、同步電磁鐵、位置同步編碼器、視頻監(jiān)控攝像頭。

（1）電機車。電機車與礦車連接，主要用于礦車的牽引。電機車駕駛室內部固定電機車控制系統。

（2）電機車控制系統。控制系統主要為PLC 控制器，對電機車上所配置車載傳感器采集到的位置、速度、運行方式、電流、電壓等數據進行處理，判斷電機車運行狀態(tài)并做出對應的響應控制，實現車輛調度，位置追蹤、可視化監(jiān)控等功能。

（3）5G 信號CPE。5G 信號接收與轉換設備CPE 將巷道內的5G 信號轉換為有線網絡信號傳輸到電機車控制系統進行數據交換，實現機載控制器與主控制器實時雙向數據傳輸,接收主控制器指令,反饋電機車運行參數。

（4）位置檢測與同步裝置。位置檢測編碼器根據編碼器脈沖數判斷行進的位置及速度。同步電磁鐵埋設在運輸巷道提前測量好的固定位置，對電機車進行位置同步監(jiān)測，保證位置監(jiān)測的準確性。

（5）道岔控制PLC 子站。運輸巷道中道岔處安裝道岔控制PLC 子站，根據系統運行狀態(tài)對道岔進行調整，保證運輸的暢通。

（6）5G 通信設備。運輸巷道全程覆蓋5G 網絡進行通信傳輸，5G 基站RRU 將光纖傳輸的5G 信號轉換為無線信號經過天線傳輸覆蓋或將天線收到的5G 信號轉換成有線傳輸，輸送至上一級進行處理。

（7）PLC 主站。PLC 控制主站將各個子站或傳感器采集到的信息進行集中處理，根據采集數據判斷系統狀態(tài)并做出響應的控制響應，保證系統正常的運行。

（8）電腦終端。電腦終端用于地表遠程監(jiān)控與控制，保證系統運行狀態(tài)正常，同時對一些運行參數進行實時顯示、報警顯示。

（9）PLC 裝載子站。使用光纖通信方式把采集的各類信號傳輸到電機車自動控制系統中，采用S7-1200 PLC 控制進行數據處理，實現數據自動監(jiān)視、動作及遠程控制，大幅度提高運輸效率，實現裝卸載的全自動運行，同時在本地設置就地、遠程、檢修3 種工作方式，保證裝卸站的安全使用。

2.3 系統主要功能

（1）聯鎖功能：系統保證多輛電機車按照調度程序自主順序運行，智能調度車輛運行，避免出現堵車、追尾等事故，保證最大化運輸。

（2）遙控駕駛：地表操作人員通過電機車組態(tài)控制畫面，對電機車啟停、加減速、方向等進行遠程控制，同時可實現一人控制多臺電機車。

（3）自動裝礦：電機車到達裝礦位置后，裝載子站PLC 根據料位檢測及電機車位置信息，聯動裝載子站動作，實現精準放礦。

（4）自動駕駛：一鍵啟動，電機車根據智能調度系統,自動選擇輸路線自動行駛，自動進行啟停、加減速、方向選擇、升降受電弓等操作。

2.4 自動運行工作原理

（1）系統啟動。啟動后首先進行自檢，判斷電機車所在的位置及各部位是否正常。如不正常則進行聲光報警，提示異常部位進行處理；如一切正常，操作人員在電腦終端選擇運輸方式，然后一鍵啟動。

（2）礦石裝載。道岔控制PLC 子站根據選擇的運輸方式調整電機車道岔位置，裝載站傳感器檢測到電機車到達且已經進入裝載位置后，自動啟動放礦機進行放礦，放礦結束后阻車器打開，電機車自動前行至下節(jié)車廂裝礦位置重復之前的動作，直至整列車裝載完畢。

（3）電機車運輸。裝載站檢測整列車裝載完畢后發(fā)出開車信號，電機車收到信號后啟動；電機車啟動后緩慢加速行駛，以1.5 m/s 的速度行進直至經過副井彎道，進入直軌道后再次加速至3 m/s 勻速運行，并對運行速度進行動態(tài)調節(jié)。

（4）礦石卸載。到達卸載站同步點后電機車速度緩慢降至1 m/s，進入卸載站勻速卸礦，直至到達卸載完成同步點完成一次裝卸流程。

3 技術路線

按照可視化、智能化要求，實現監(jiān)測電機車運輸全部過程并通過對電流、電壓、位置、速度等參數實現電機車全自動運行、故障自我診斷、自我保護停車。利用組態(tài)王軟件與電機車控制PLC通信，將電機車運行中的參數采集到系統中。運用組態(tài)王軟件中變量定義和命令語言，實現組態(tài)畫面中電機車圖素與電機車采集的變量動畫連接。在計算機上以動畫、圖形、表格、漢字等形式實時顯示機車位置、車號、運行方向、機車運行相對速度等運行狀態(tài)信息，同時通過視頻監(jiān)控查看電機車前后的運行環(huán)境，保證電機車安全運行。

4 新型井下智能運輸管理系統的特點

（1）運輸智能化。系統依照“最優(yōu)化運輸”思路進行研發(fā)設計?？梢愿鶕\輸任務自主化行駛至裝載站進行自動裝載。裝載完畢后自行起步運輸，根據設定值進行速度控制，在保證安全的前提下實現運輸效率最大化。

（2）運行過程可視化。電機車前后加裝廣角視頻監(jiān)控攝像頭，將電機車運行過程中的視頻信息實時傳輸至電腦終端進行全面有效和靈活的監(jiān)測，裝載站、道岔、卸載站處裝有固定式的視頻監(jiān)控攝像頭，將裝載、道岔調整、卸載等過程的變化實時傳輸至電腦終端。同時電機車控制系統中的各個傳感器檢測到位置、速度、運行方式、電流、電壓等數據進行處理后顯示在車載顯示屏上，并通過5G 網絡輸送至PLC 主站進行系統處理，發(fā)現異常則根據故障輕重進行響應，發(fā)出警報或者緊急停車，并顯示在電腦終端上。

（3）位置信息實時性。電機車位置的精準度是電機車運輸管理系統的關鍵。通過編碼器與道軌旁安裝的同步電磁鐵實現位置的實時顯示及校核。在軌道位置關鍵點埋設同步電磁鐵對電機車進行位置同步監(jiān)測，保證電機車位置準確，為管理線路上的機車提供參考。

（4）系統控制的實時精確性。依托5G 技術網絡的低時延、大容量、高速率的特點，在信息中心地表可以對-500 m 中段井下自動運輸智能控制系統進行遠程操作控制，可以做到遠程高精度實時控制。視頻監(jiān)控傳輸流暢無卡頓，實現同步傳輸、動態(tài)監(jiān)測。