行洛坑钨矿有轨电机车无人驾驶系统

王锦胜

(宁化行洛坑钨矿有限公司，福建宁化 365400）

1 项目现状

宁化行洛坑钨矿采用露天开采方式， 设计规模为原矿处理量5 kt/d。 该矿采用溜井装矿、平硐开拓有轨运输和底侧式卸矿等方式将原矿装运并卸至选厂。 其生产工艺流程为:采场内原矿由自卸汽车卸入溜井，溜井下设有带控制闸门的重型振动给矿机，向有轨电机矿车给矿。 20 t 电机车双机牵引10 m3底侧卸矿车前往选厂，经卸载曲轨卸入粗碎原矿仓。矿石装载点和卸载点均仅有1 个， 列车运行距离2.27 km，运输线路上共设置6 个换向道岔，运输线路如图1 所示。

有轨运输配置有5 台电机车，4 台工作，1 台备用。电机车为20 t 电阻调速式电机车，直流550 V 供电，气动刹车，受电弓为现场手动升降。 有轨电机车无人驾驶系统建设前，该矿采用人工现场控制振动给矿机装矿，人工驾驶有轨电机车至粗碎原矿仓卸矿。每台电机车需配1 名电机车司机和1 名放矿工，通过相互配合完成电机车装矿、行车、卸矿过程。 这种人工方式易造成装矿效率低下及装载异常等问题，且存在很大的安全隐患。

图1 运输线路及基站布置示意

基于上述问题，并结合相关工艺流程，该矿提出采用有轨电机车无人驾驶系统，实现地面远程遥控装矿、有轨电机车无人驾驶自动运行及全自动卸矿[1-2]等功能。

2 系统架构

系统主要由地面远程遥控装矿、电机车自动运行（ATO/ATP）、通信网络传输平台、信集闭控制、自动卸矿、视频监控及控制中心等子系统组成：1）地面远程遥控装矿系统包括远程控制操作台（设置在控制中心)和装矿站PLC 自动控制系统，结合装矿区域的视频监控系统， 可实现控制中心通过操作台远程放矿功能。2）电机车自动运行(ATO/ATP)系统用于监测和远程控制有轨电机车的运行状态。 该系统硬件主要由车载控制单元、通信模块、定位模块、电源模块及视频摄像机等组成。 3）通信网络传输平台用于系统数据传输，集有线和无线多种通信方式于一体。其中，有线通信由千兆光纤工业环网组成，作为主干网络将系统数据传输至控制中心。 无线通信由Wi-Fi基站（AP）和车载通信模块组成。 在电机车运行线路上布置基站（AP），实现运行线路Wi-Fi 信号全覆盖；基站实时接收电机车自动运行单元（ATO/ATP）数据，最终通过主干网络上传数据。4）信集闭控制系统用于统一调度电机车运行路线和作业顺序， 根据信号联锁规则，自动控制转辙机和信号灯的动作，同时可规划电机车装矿和卸矿溜井的目标位置。 系统由操作台和控制分站组成， 其中操作台设置在控制中心，配置工业控制及管理计算机，用于对系统操作控制、实时数据存储、查询及报表管理打印；控制分站设置在转辙机和信号灯附近， 为PLC 自动控制系统。5）电机车采用底侧式卸矿方式，操作人员只需控制电机车运行速度，匀速经过卸载站，即可实现自动卸矿功能。在卸矿站设置料位监测和视频监控装置，监控原矿仓相关情况。6）在运输线路重要区域、装矿站、 卸矿站及电机车等处根据实际需要设置视频摄像机，全程监控电机车装矿、行车、放矿过程。7）控制中心设置在卸矿站附近， 配置数据采集及存储服务器、视频存储服务器、控制操作台、自动调度操作台、工业交换机和大屏显示等设备， 实现系统所有数据的存储、处理、控制及显示。 系统架构如图2 所示。

图2 有轨电机车无人驾驶系统架构

3 地面远程遥控装矿系统

在装矿站设置PLC自动控制系统1 套，将振动给矿机的电气控制信号接入至PLC；在地面控制中心设置远程操作台（含远程遥控放矿与遥控电机车多功能于一体）；放矿口处设置2 台视频摄像机。 装矿PLC 系统、远程操作台和视频摄像机均通过以太网接入主干通信网络，实现控制中心上位机和装载站下位机间的通信。

当电机车驶入装矿站时， 系统自动切换至装矿站处视频图像，操作员通过远程观察放矿视频图像，操作电机车及振动放矿机作业， 实现步进对位→开启放矿机→关闭放矿机→步进对位操作工序， 保证远程控制连续装矿，且装矿高度不超过警戒线，实现安全、高效装矿。

4 电机车自动运行系统

电机车自动运行系统包含整个运输线路通信网络构建、无线信号覆盖、转辙机和信号灯控制、重要区域视频监控以及机车本体改造等内容。

4.1 通信网络传输平台

通信网络传输平台由主干网络、无线Wi-Fi 基站和车载通信模块组成。

1）主干网络。在控制中心、硐口配电室及装载站均设置1 台千兆级工业以太网环网交换机， 硐室内交换机选用矿用本安型设备。 为保证网络传输可靠和稳定性，采用环形方式构建，网络架构详见图2 所示。 系统的所有数据均转换为以太网方式通过主干网络传输至控制中心。

2）无线Wi-Fi 基站。 为保证电机车自动运行安全，系统需要实现电机车精确定位，并保证车载通信模块和基站之间的实时不间断通信，所以无线信号需要无死角覆盖整个运输线路。 根据运输线路的实际情况以及每台基站覆盖距离， 整个运输线路共设置24 台矿用本安基站，每个基站含2 h 备用电源模块，布置示意图详见图1 所示。无线基站接收电机车车载设备的各项信息，包括电机车车号、运行速度、运行方向、故障信息、各种运行状态以及车载视频图像等。基站通过光缆接入主干网络，实现控制中心和基站之间的通信。 为保证机车定位精度的进一步提高，在关键点设置信标器，用于特定点的车列位置标定和行车里程修正。

3）车载通信模块。 为每台电机均安装1 套车载通信模块，由工业级交换机和无线通信模块组成，布置在电机车车头处。 前端车载控制单元和车载视频图像接入工业级交换机， 通过无线通信模块将相关车载数据实时传输至布置在运输线路上的基站。

4.2 电机车自动运行（ATO/ATP）单元

行洛坑钨矿电机车现采用串电阻调试方式，为实现电机车无人驾驶及远程遥控功能， 需要对机车本体改造。 改造内容主要包括驱动电机改为斩波调速、受电弓改为气动升降控制、增加机车速度检测、ATO/ATP 自动驾驶保护装置的更换。

驱动电机改为斩波调速方式后，牵引力增大，工作效率提高，从启动到全速能实现平稳过渡，有效地保护了机车机械系统， 同时也保障了电机车远程遥控的平稳运行。 改造的机车可实时采集包括机车运行速度、运行方向、各种运行状态等信息。

在机车内增加定位模块，与无线基站、信标器配套使用能实现机车精准定位。 在机车内设置电源模块，保证在停电情况下可再持续工作2 h。 在每台电机车前后车头分别安装1 台视频摄像机， 实现机车运行过程中路况的远程监视。

无人驾驶电机车控制系统在远程遥控过程中，实时地对电机车自身控制系统开放自我保护功能[3]，包括机车本体运行状态监控， 实时检测数据是否异常（电机车气缸内供气压力、控制电源、通信故障及车辆失控等），判断道岔是否满足行车条件以及防止车辆之间发生碰撞等[4]。 同时，需要对受电弓等所有硬件设备远程遥控，防止人为误操作造成设备损坏。

为了便于操作人员远程操控电机车， 机车运行设置定速巡航、装矿定速巡航、装矿自动对车、自动运行、受电弓自动升降等多种模式。

4.3 信集闭控制

信集闭控制实现3 种控制模式（闭锁控制、半闭锁控制、解锁控制）。 闭锁控制通过派配矿系统指令对电动转辙机、信号灯实现自动控制，为正常生产使用模式；半闭锁控制即人工派车，下发派车指令后系统自动控制转辙机及信号灯， 供临时调整作业计划使用；解锁控制，即全系统手动运行，操作人员现场控制转辙机与信号灯，供检修等特殊情况使用。

系统由操作台和控制分站组成。 运输线路上共用6 个换向道岔，相应配置6 套控制分站。地面控制中心的操作台全程跟踪运输列车运行，实时检测电机车的实际位置；控制分站控制开放信号，转动道岔，检测进路。 当控制分站、道岔或传感器等设备发生本体或通信故障时， 相关信号显示应自动转为关闭信号或约定警示信号，确保转辙机、信号机的主动控制以及电机车的安全运行。 操作台能够实时显示列车在运输巷道位置、列车序号、车速及信号灯、道岔和轨道占用情况，自动记录运行过程数据，生成管理报表。

5 全自动卸矿系统

电机车驶入卸载站前， 控制中心操作人员控制电机车运行速度， 保证电机车匀速经过卸载站的曲轨卸矿装置，完成自动卸矿流程。在卸矿站的原矿仓安装雷达料位计，实时监测原矿仓料位，防止原矿仓内矿物排空或溢出，同时结合卸矿站处视频摄像机，实现地面远程卸矿监控。

6 控制中心

控制中心包括调度系统台、操作控制台、视频显示终端、服务器系统等设备，如图3 所示。

图3 控制中心实际情况

1）调度系统由工业控制计算机组成，实现所有运行状态信息的显示。 操作人员能够通过上位画面实现对系统所有设备的远程遥控。

2）电机车远程遥控与远程放矿通过操作控制台实现。其内配置了控制单元，用于采集操作台内所有开关以及手柄的信息，并将操作指令上传，实现各项控制功能。 工控机编写上位画面，显示电机车、放矿机的运行数据、 报警信息等所有数据。 通过上位画面，实现电机车远程遥控与远程放矿。

3） 视频显示终端包括在操作控制台上配2 台显示屏和1 个操作面板以及1 套LCD 拼接屏。 显示屏与视频监控系统和装矿控制上位监控画面相连，操作面板与自动控制系统相连。 操作人员可切换调出查看系统所有视频图像。

4）服务器包括系统数据采集服务器、工控服务器以及视频服务器， 实时记录并存储整个系统运行过程中所有关键参数以及视频信息。 工控服务器能够访问井下所有控制器，保证实时数据交换。

7 结语

目前，该系统已建设完成，并投入正常使用1年。对照系统设置前后，各项数据基本都得到了改善，操作班组定岗人员系统建设前需要5 人，系统建设后只需3 人；放矿操作时间原需16.5 min，现需要17 min；运输操作时间原需28 min，现需要17 min；卸矿操作时间2.5 min 不变；每趟车组平均运输能力原为165 t，现为150 t；每趟车组最大运输能力原为170 t，现为 165 t；每天平均运输能力（3 班）原为 5 280 t，现为 5 700 t；每天最大运输能力（3 班）原为 5 440 t，现为6 270 t。 由上述数据可知，该系统在保证产能的同时，可有效优化人员配置，改善作业人员工作环境。 提升生产安全水平。