高理鵬 徐士龍 孟凡龍

（山東能源棗礦集團高煤公司，山東 濟寧 277600）

1 問題的提出

高煤公司暗斜井軌道采用雙鉤提升，矸石車和空車皮均從下口各自車道進(jìn)出，上口從兩滾筒對應(yīng)的車道進(jìn)車，從專用出車道出車。通過人工控制下口、變坡點和上口3 個道岔實現(xiàn)正確進(jìn)、出車。但從以往的實踐來看，提升系統(tǒng)及軌道運輸系統(tǒng)故障頻發(fā)，無法滿足安全、高效、穩(wěn)定、運輸自動化、運輸智能化的功能需求，必須對人工控制的方法進(jìn)行調(diào)整。

暗斜井道岔系統(tǒng)的要求為：（1）提升機半小時以上故障影響時間每月累計不超過5 h；（2）要能適應(yīng)近年來西翼提運量的逐年上升要求；（3）斜巷軌道要實現(xiàn)全自動扳道，并能夠采集、掌握軌道信息。

結(jié)合上述需求，滿足需求的關(guān)鍵點在于自動化控制、全方位監(jiān)測、齊全有效的安全保護(hù)三方面。因此，需對高煤公司西翼暗斜井道岔自動集控裝置進(jìn)行設(shè)計研制[1-2]，同時要求該裝置扳道誤操作率<2‰，扳道裝置實現(xiàn)人工零介入。

2 道岔自動集控裝置方案的比選及確定

2.1 總體方案的比選及確定

2.1.1 總體方案的分析

依據(jù)裝置需滿足的功能要求，要實現(xiàn)上、下口道岔的集控和保護(hù)，首先確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。利用頭腦風(fēng)暴法分析想法與思路，提出了以下3 種總體方案。

（1）獨立結(jié)構(gòu)。上口和下口各設(shè)立一個主站，上、下口驅(qū)動裝置和反饋信號接入各自主站，通過主站獨立程序?qū)崿F(xiàn)獨立控制。上、下口互相獨立，各自監(jiān)視所負(fù)責(zé)的道岔狀態(tài)。

（2）主—分結(jié)構(gòu)。上口設(shè)立主站，下口設(shè)立I/O 分站，主、分站實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。下口驅(qū)動裝置和反饋信號通過通信傳入主站，通過主站程序?qū)崿F(xiàn)上、下口控制和監(jiān)視功能。

（3）主—主結(jié)構(gòu)。上口和下口各設(shè)立一個主站，上、下口驅(qū)動裝置和反饋信號接入各自主站，通過程序?qū)崿F(xiàn)獨立控制。上、下口實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和集中監(jiān)視，上、下口均具備監(jiān)視功能。

2.1.2 總體方案的比選

從功能性、經(jīng)濟性和安全可靠性比選方案：

（1）功能性比選。分析3 種方案的工藝流程，尋找工藝流程中難以推進(jìn)與實現(xiàn)的節(jié)點或者需人工介入的節(jié)點。3 種方案無難以推進(jìn)或需人工介入的節(jié)點，功能性能夠滿足要求。

（2）經(jīng)濟性比選。分析3 種方案所需設(shè)備與材料投入，比較經(jīng)濟性。3 種網(wǎng)絡(luò)方案中，主—分結(jié)構(gòu)預(yù)算最低，主—主結(jié)構(gòu)超預(yù)算。

（3）安全可靠性比選。測試3 種方案的拒動率（掃描周期選擇50 ms，馬達(dá)轉(zhuǎn)速選擇100 r/min），并分析各方案觸發(fā)保護(hù)時可施加的處理方式。

根據(jù)分析與試驗對比可知，3 個方案均能滿足裝置功能性要求，主—分結(jié)構(gòu)和主—主結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)功能更完善、全面，主—分結(jié)構(gòu)預(yù)算最低。綜合以上因素，確定選擇主—分結(jié)構(gòu)構(gòu)建道岔自動集控裝置。

2.2 二級方案的比選及確定

將主—分結(jié)構(gòu)細(xì)化拆分為二級方案，進(jìn)一步比選和確認(rèn)。將監(jiān)視、控制和執(zhí)行3 個細(xì)分方式的不同方案進(jìn)行試驗、分析，確定二級方案，如圖1。

圖1 二級方案系統(tǒng)示意圖

2.2.1 監(jiān)視方式比選

（1）功能性對比。3 種監(jiān)視方式均能夠顯現(xiàn)出道岔和保護(hù)動作狀態(tài)，在實現(xiàn)功能的程度上是一致的，但工控組態(tài)顯示辨別時間最短，辨別正確率最高。

（2）安全可靠性對比。從各方案搭建系統(tǒng)的故障點數(shù)量和主體配件可靠性上分析、比較其安全可靠性。反復(fù)通斷型設(shè)備每鉤動作一次，根據(jù)年走鉤數(shù)量折算其壽命，105 次約合半年。工控組態(tài)顯示不含反復(fù)通斷型設(shè)備，故障點最少，安全可靠性最高。

（3）經(jīng)濟性對比。在預(yù)算不高于總體方案中監(jiān)視裝置投資額的前提下對比各方案經(jīng)濟性。3 種方案投資均低于總體方案中的監(jiān)視裝置預(yù)算，工控組態(tài)顯示略低于指示燈拼接顯示，但換來的是倍增的功能性效果和安全可靠性。綜合以上因素，確定工控組態(tài)顯示作為最終監(jiān)視方式。

2.2.2 控制方式比選

因3 種方式工藝類似，分組就3 種控制方式直接進(jìn)行試制，將完成全部試制流程、可用于現(xiàn)場控制的方案作為最終方案。PLC 控制試制流程如圖2。

圖2 PLC 控制試制流程圖

PLC 控制試制成功；單片機控制試制失??；DCS 控制試制失敗。故確定選擇PLC 控制方式。

2.2.3 執(zhí)行方式比選

（1）功能性對比。使用手動板道器配合扭力扳手，量測扳道至少需要扭矩T為300 N·m。氣動執(zhí)行機構(gòu)和液壓執(zhí)行機構(gòu)滿足功能性要求，電動執(zhí)行機構(gòu)方案不滿足功能性要求。

（2）安全可靠性對比。電動執(zhí)行機構(gòu)和液壓執(zhí)行機構(gòu)有不可靠因素，氣動執(zhí)行機構(gòu)不需要其他投入。

（3）經(jīng)濟性對比。在預(yù)算不高于總體方案中驅(qū)動裝置投資額的前提下對比各方案經(jīng)濟性，選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)作為最終執(zhí)行方式。

綜合以上比較，確定選擇工控組態(tài)顯示作為裝置監(jiān)視方式，確定PLC 控制作為裝置整制方式，確定氣動執(zhí)行機構(gòu)作為執(zhí)行方式。

2.3 三級方案的比選及確定

為PLC 通信方式、反饋信號傳感器和安全保護(hù)的實現(xiàn)方式等細(xì)節(jié)選定最佳方案。

2.3.1 PLC 通信方式比選

篩選滿足現(xiàn)場使用條件的PLC 通信方式。通過分析和現(xiàn)場測試，通信方式需要滿足以下2 個條件：（1）通信距離滿足1000 m 以上；（2）支持主—分結(jié)構(gòu)。對TCP/P、Profibus、CC-LINK 3 種通信方式進(jìn)行預(yù)算和功能性試驗比選，確定PLC 通信方式為CC-LINK。

2.3.2 反饋信號傳感器比選

選擇效果最好的金屬感應(yīng)傳感器作為反饋信號傳感器。

2.3.3 安全保護(hù)實現(xiàn)方式

安全保護(hù)包括道岔拒動和軌道錯位，可由裝置自行判斷或由電控系統(tǒng)參與判斷。對這兩種方式進(jìn)行比較如下：（1）裝置PLC 判斷，然后將保護(hù)接點接入電控系統(tǒng)。判斷錯道程序編制需要礦車行程信號作為條件，但本裝置PLC 無法提供礦車行程數(shù)據(jù)。（2）傳感器接點串入電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)判斷并保護(hù)。電控系統(tǒng)PLC 接收本裝置的傳感器反饋接點，且具備行程計算功能。確定電控PLC 判斷并保護(hù)實現(xiàn)安全保護(hù)。

2.4 方案確認(rèn)

基于上述分析研究，西翼暗斜井道岔自動集控裝置最終方案如圖3。

圖3 最終方案系統(tǒng)圖

各配件均選用本單位常用備件，不再進(jìn)行單獨選型。根據(jù)最后的配件單進(jìn)行成本核算，確保不超過總體預(yù)算，并制作方案預(yù)算表，詳見表1。

表1 方案預(yù)算表

從表1 可知，確定的方案成本在總體預(yù)算之內(nèi)，決定對此方案開展實施。

3 道岔自動集控裝置的設(shè)計及實施

3.1 搭建執(zhí)行裝置

（1）設(shè)計安裝氣動扳道裝置；（2）設(shè)計安裝扳道控制裝置；（3）設(shè)計安裝電磁閥控制回路。通過扳動繼電器強制機構(gòu)試驗3 處道岔動作情況，并記錄道岔動作次數(shù)。3 處道岔均借助控制回路實現(xiàn)動作，拒動率為0。

3.2 搭建監(jiān)控系統(tǒng)

（1）安裝上、下口站點。設(shè)計PLC 電控系統(tǒng)，上、口各設(shè)置一個站點，實現(xiàn)遠(yuǎn)程CC-LINK 通信。安裝站點于本安信號操作臺，接通實現(xiàn)上、下口通信。

（2）編制程序組態(tài)。設(shè)計并編制主站通信、電控程序和軟件組態(tài)項目，實現(xiàn)上、下口和變坡點道岔一站式自動集控和道岔狀況監(jiān)視。驗證：現(xiàn)場試驗3 處道岔自動動作和組態(tài)監(jiān)視工作狀況。集控系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)了全部道岔自動監(jiān)控功能。

3.3 搭建保護(hù)功能

（1）設(shè)計保護(hù)功能并接入。設(shè)計輔助保護(hù)功能，將下口軌道開關(guān)信號接入下口遠(yuǎn)程I/O 分站，通過通信傳至上口主站，主站通過程序轉(zhuǎn)換為繼電器輸出，將繼電器接點接入電控系統(tǒng)。

（2）在電控系統(tǒng)中編制安全保護(hù)程序，實現(xiàn)軌道錯位安全保護(hù)功能。根據(jù)軌道開關(guān)狀態(tài)和絞車位置條件判斷軌道錯位，然后將錯位接點接入提升機軟件安全回路，觸發(fā)安全回路后，PLC 緊停，提升機施加安全制動?，F(xiàn)場試驗軌道錯位保護(hù)觸發(fā)時動作情況。安全保護(hù)觸發(fā)正常，施加安全制動。

4 實踐應(yīng)用效果及效益分析

4.1 應(yīng)用效果分析

集控裝置研制并于2021 年2 月投運后，利用兩個月的時間統(tǒng)計該裝置運行中的誤操作率。每提升1 鉤，道岔動作3 次，每次道岔拒動，保護(hù)需作用1 次。道岔動作情況統(tǒng)計見表2。

表2 道岔動作情況統(tǒng)計表

由上述統(tǒng)計結(jié)果可知，道岔拒動率和保護(hù)失效率均控制在0.2%以下，全程實現(xiàn)人工零介入，滿足設(shè)計要求。

4.2 功能檢查

對2 月和3 月內(nèi)西翼提升機故障影響時間和提升車數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明故障影響時間顯著下降，自動化程度提高，提升車數(shù)提高11.2%。

4.3 效益分析

（1）經(jīng)濟效益顯著。同類型道岔自動集控裝置的市場價約為15 萬元，自主研發(fā)設(shè)備為企業(yè)節(jié)約資金約14.2 萬元。裝置的應(yīng)用每月可創(chuàng)效金額約為1350 元。

（2）安全效益顯著。全方位監(jiān)控，提高斜巷安全可靠性；降低故障影響時間，提高安全運行效率；提高系統(tǒng)自動化水平，彰顯無人則安的理念。

（3）社會效益顯著。提高斜巷提運效率，降低勞動強度；降低系統(tǒng)維護(hù)量，提高現(xiàn)場管理水平；創(chuàng)新設(shè)備自動化發(fā)展思路，為智慧礦山做鋪墊。