锡铁山铅锌矿斜坡道交通信号控制系统的优化设计与应用

申朝波， 史海明， 李德彬， 杨俊青

(金诚信矿业管理股份有限公司锡铁山项目部， 青海 锡铁山 816203)

1 前言

锡铁山铅锌矿主斜坡道原交通信号系统于2009年由西北冶金研究院电气自动化研究所设计并安装，至今运行已有8年，其工作原理与国内的矿山斜坡道的信号控制原理基本上相同，是通过安装在斜坡道内的读卡器识别下井车辆上安装的定位卡，并控制斜坡道内安装的信号灯，自动调度机动车辆运行，实现合理避让，达到安全高效的运输目的[1-4]。

原斜坡道信号系统主要由上位机、读卡器、定位标签、信号灯、信号线缆、信号光缆、中继器和光电转换模块等组成；每一台下井工作的机动车辆上都装有一个定位标签，其主要作用是定位车辆的具体位置，每一个错车场装有两台读卡器和两个信号灯，分别安装于错车场的上下口，共有22个错车场安装了读卡器和信号灯。读卡器的主要作用是读取每一台机动车上定位标签的数据，然后通过信号线缆、中继器、光电转换模块把读卡器接收到的数据传送至上位机，通过上位机后台的程序运算后区分每一台机动车的运行状态，从而来改变信号灯的状态，实现斜坡道内的车辆有序、安全和高效运行。

2 原系统设计原理

原斜坡道信号系统组成电气元件：车辆定位模块、读卡器、ADAM- 4571模块、EKI- 2526S模块、ADAM- 4510S模块、EKI- 2541S模块、12V直流电源、通讯光缆、信号线缆、信号灯、中继器和上位机，具体接线方式如图1所示。

图1 原系统接线方式图

系统运行原理：无源定位模块安装在机动车辆上，每个车场安装两个读卡器，当车场内的读卡器检测到有车辆上安装的定位模块时，读卡器通过光电转换模块和光缆传输至上位机，经过上位机的软件处理，辨别出车辆的运行状态来置位或复位信号灯。

3 原系统存在问题

2016年1月，公司接手管理该矿山后发现斜坡道信号系统使用过程中一直存在信号灯变化比较缓慢，经现场测试发现读卡器的读卡速度太慢，车辆的速度只要稍微加快，系统画面就会出现丢车或信号灯变化紊乱等现象，严重影响斜坡道车辆正常运行。针对上述问题，我公司相关技术人员对信号系统的原理进行调查、研究和分析后发现个别车辆上安装的定位标签损坏、读卡器接收信号距离近、读卡器损坏等问题，部分已损坏的定位标签和读卡器必须进行更换，才能正常使用。

通过多次与厂家联系沟通，进行询价发现该信号系统的备件非常昂贵，例如一个读卡器5 800元/个，一个4 571模块8 600元/个；系统内所用备件在市面上没有卖家，必须要到厂家订做而且周期比较长(约2个月)。原系统安装了59台读卡器及其他电气模块，考虑到其使用的年限久，大部分电气元件已经到了更换周期，要彻底修复该信号系统并保持稳定运转，需更换较多备件，一次性投入的费用较高，而且正常期的维护成本也会较高，影响的时间比较长。考虑到上述种种问题，继续使用原斜坡道信号系统，修复和维护等工作开展困难重重，成本大、周期长，运输降效，严重制约着井下生产的正常运转。

为尽快恢复斜坡道交通信号系统，提高效率、降低成本，经过相关人员研究讨论决定对斜坡道信号系统进行改造，增加一套自主研发的信号运行控制系统。具体改造方法是采用西门子S7- 200PLC、欧姆龙对射型光电开关、中间继电器和7×1.0mm2控制电缆构建一套新的信号控制系统，通过编写PLC程序，进行计数累加运算，区别车辆的运行方向和进入车场的时间先后关系，分别控制各光电开关，继而控制信号灯的启停，达到控制斜坡道交通的作用。其中光电开关主要是检测区分车辆或是人员和还有计数作用，控制电缆主要是信号传输作用。

4 系统改造设计原理

1)PLC 安装位置设计

由于斜坡道的任意两个车场之间的间隔距离都相对较远，且间隔距离不相同(180～300m不等)，电缆相对较长、电压降大，设计中考虑把PLC控制箱安装于两个车场中间位置，用一个PLC控制两个车场的信号灯，这样可以保证电压降在允许范围之内，每一个控制箱控制两个上行信号灯和两个下行信号灯

2)光电开关设计

继续利用原斜坡道信号系统的信号灯，在每个错车场的信号灯下面各安装两对光电开关，为防止有人员通过时导致信号灯错误动作，要求两对光电开关的安装间距约2m，并且要串联运行；硬件安装完毕后，把光电开关和信号灯的信号线接至西门子PLC端上即可，具体接线原理图如图2所示，设备安装示意图如图3所示。

图3 新系统设备安装示意图

当有机动车下行运行同时经过并遮挡住车场口安装的两个光电开关时，光电开关会闭合一次，PLC将接收到一个脉冲信号，其内部的计数累加器指令会累加一次，同时会把上下两个车场的信号灯置位红灯，不让其他机动车进入主巷道内；当机动车运行至下一个车场口时，同时遮挡住车场口安装的两个光电开关，这时PLC会再接收到一个脉冲信号，其内部的计数累加器会减去一个脉冲，当其内部的计数累加器变为零，同时会把上下两个车场的信号灯同时复位绿灯，也就是机动车下行时不允许跟车一起下，机动车之间的距离必须相隔一个车场的距离，防止在车场内堵车；当有机动车上行运行同时经过并遮挡住车场口安装的两个光电开关时，光电开关会闭合一次，PLC会接收到一个脉冲信号，其内部的计数器指令会累加一次，同时会把上个车场的信号灯置位红灯，如果连续有N个机动车上行时那么计数累加器会累加N次，当机动上行至上车场口时，同时遮挡住车场口安装的两个光电开关，这时PLC会再接收到一个脉冲信号，其内部的计数器会减去一个脉冲，当其内部的计数器减为零时，会把上个车场的信号灯复位绿灯，也就是如果机动车上行时允许N台机动车在保证安全的情况下可以一起上行，这样即可以保障斜坡道内行车安全，还可以提高运输效率。

5 系统改造后的优点和效果分析

PLC斜坡道交通信号控制系统开拓创新，从实用、高效和低成本的思路出发，改变原有的信号控制系统的控制模式，其优点和效果体现在以下4个方面：

(1)效率提高：改造后的斜坡道交通信号灯的反应速度经实地测试相比原系统快了很多，没有在出现卡灯现象，提高了斜坡道卡车运矿效率。

(2)系统稳定可靠：改造后的斜坡道信号控制系统每个车场的信号灯都是独立控制，车场与车场的信号灯互不干扰；原信号系统的信号灯是一个整体，一旦有一个信号灯出现问题，整个信号系统都陷入瘫痪状态，无法正常运行，改造后的系统相比原系统运行要更加稳定。

(3)故障处理便捷：改造后的斜坡道信号系统车场的信号灯都是相互独立的，如果哪个车场的信号灯没有变化，就直接维修该车场内的信号灯或是光电开关就可以了；原信号系统是一个整体，一旦信号系统故障瘫痪以后，必须要一个一个车场的去排查，维修效率比较低，对斜坡道运输的影响大。

(4)成本低廉：改造后的斜坡道信号系统所用的电气元件价格相对便宜，属于市面上比较常规的器件，便于采购，并且电气元件可替代性比较强；原信号系统的电气元件价格昂贵，必须要去厂家定制，所有电气元件都不能更替，安装和维修的费用高。经改造后的主要电气元件价格见表1。

表1 斜坡道信号改造费用预算

6 结论

斜坡道交通信号控制系统改造后经过一年多的运行来看，总体效果良好，有效解决了原系统故障瘫痪导致斜坡道交通运输管理混乱、生产降效的问题。相比原系统来说，新系统运行效率提高，系统稳定可靠，故障处理迅速，维修和维护成本降低，该创新技术为矿山斜坡道交通运输信号系统提供借鉴的实例。

尽管在运行中发现了该系统还有一些需要不断优化和改进的地方，例如两车上、下同时进入同一段区域后，该系统无法做出指示，司机无法及时发现，导致斜坡道出现两车无法避让的现象等，这也是矿山科技工作者下一步需要继续改进的地方和方向，努力做到更好。