金属矿山井下电机车弯道防撞系统设计与研究

刘秀峰 彭 鹏

(河北钢铁集团矿山设计有限公司大贾庄铁矿有限公司，河北 唐山 063700)

0 引言

目前，国内大部分金属矿山井下有轨运输系统均采用人工现场驾驶操控，少部分金属矿山采用了地表远程遥控驾驶。采用现场驾驶操控每台电机车需配备一名电机车司机，矿石装载站配备一名装矿工和一名矿石清理工，运输过程只有电机车司机一人驾驶，装矿过程需要三名工人相互配合[1]。

电机车通过三岔路口时部分矿山采用调度人员与机车进行位置核实，调度提醒其它司机目前路口是否有机车通过的调度方式。部分矿山要求电机车司机驾驶通过岔口时先停车查看其它方向有无机车通行，司机确认无问题后再通过。由此也带来了许多不利因素和安全隐患[2，3]，例如电机车司机长时间驾驶导致人员疲劳瞌睡，由于电机车司机的不负责任和侥幸心理，经过岔口时并不下车查看，极易发生车辆追尾和碰撞事故。

结合现场井下电机车运行多年的经验教训，设计了一种井下电机车弯道防撞系统。从硬件配置、系统组成、系统原理等方面对该系统进行详细介绍，如何有效避免电机车在三岔路口、T型路口处发生追尾、碰撞等事故。该设计将有效降低电机车司机、机车调度人员的工作强度，提高井下电机车运输的安全性和运输效率。

1 系统组成

金属矿山井下电机车弯道防撞系统主要由PLC中央处理单元、声光警示单元、RFID射频单元、红外激光单元、信号指示单元、视频监控单元几部分组成，见图1。

PLC中央处理单元由PLC核心控制器、24 V电源、稳压器、UPS不间断电源、通信模块、模拟量模块、空气开关、小型继电器组成；声光警示单元由语音播报器、扩音器、爆闪警示灯组成；RFID射频单元由射频识别器、射频识别卡、电源控制箱、支架组成；红外激光单元由漫反射式激光传感器、激光反射装置组成；信号指示单元由红绿黄三色信号灯、托架、控制箱组成；视频监控单元由高清摄像头、电源控制箱、交换机、硬盘录像机组成。

图1 弯道防撞系统组成图

2 硬件配置

2.1 硬件安装位置

如图2所示，将电机车运输轨道三岔口分为A B C三个部分，AC为直道部分，BC为弯道。

图2 硬件安装位置示意图

2.2 A轨道安装设备

安装1#射频识别设备和1#激光传感器用于检测A轨道电机车通过信息，检测是否有电机车经过。安装1#红绿灯系统，向A轨道进入的电机车发出红绿通行信号。安装1#视频监控设备，监督从A轨道进入的电机车是否按照信号指示通行。

2.3 B轨道安装设备

安装2#射频识别设备和2#激光传感器用于检测B轨道电机车通过信息，检测是否有电机车经过。安装2#红绿灯系统，向从B轨道进入的电机车发出红绿通行信号。安装2#视频监控设备，监督从B轨道进入的电机车是否按照信号指示通行。

2.4 C轨道安装设备

安装3#射频识别设备和3#激光传感器用于检测C轨道电机车通过信息,检测电机车是否行驶出三岔口危险区域。

2.5 其它主要设备

PLC中央处理等设备放置于配电箱中，就近安装于三岔口配电房内，确保设备有干燥通风的运行环境。

3 系统原理

《金属非金属矿山安全规程》中规定：“列车制动距离：运送人员应不超过20 m，运送物料应不超过40 m；14 t以上的大型机车(或双机)牵引运输，应根据运输条件予以确定，但应不超过80 m。”

依据安规规定，将红绿信号灯放置于距离三岔口150 m处，按司机最慢反应时间5 s计算，将1#、2#射频识别器安装于红绿信号灯前面50 m处，即距离三岔口200 m。当A或B方向来车时，电机车经过射频识别器和雷达传感器。射频识别器和雷达传感器相互作为校正检测手段，确保电机车通过时检测信号能准确发出。检测装置然后将信号发送至PLC中央处理单元，PLC对检测信息进行逻辑处理，输出控制信号，控制信号控制红绿灯信号系统发出通行指令，指示司机能否通过三岔口。

考虑极特殊情况，当两列车通过RFID射频识别设备相差时间很短时，后面通过的电机车红绿灯会突然变为红灯，禁止其通过。此时因为检测设备与红绿灯有50 m距离，即检测信息较司机看到信号灯时间早，增加了司机刹车距离，保证了在此情况下列车运行的安全。

4 技术特点

PLC中央处理单元核心部件采用西门子S7-1200PLC，该控制器使用灵活、功能强大、运行稳定可靠，其CPU将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置 PROFINET、高速运动控制I/O以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的控制器。该控制器运算处理速度快，实数数学运算执行速度达到18 μs/指令，布尔运算执行速度达到0.1 μs/指令。

声光警示单元采用高亮度爆闪警示灯，当警示系统显示红灯时，警示灯爆闪提醒司机停车，同时安装了带扩音器的语音系统进行语音提醒播报。声光双重提示，确保司机第一时间收到通行信息，保障车辆安全通过三岔口。

RFID射频识别单元和红外激光单元为重要的感应检测设备，RFID射频识别器安装于干燥的巷道侧壁，射频识别卡安装于电机车侧边，红外激光传感器安装于巷道顶部，激光反射装置安装于驾驶室顶部。RFID射频识别设备采用大功率超灵敏感应器，避免电机车高速通过时的漏检情况。巷道顶部的红外激光传感器与激光反射装置分体安装，激光反射装置为无源器件，即时电机车高速运行剧烈振动时也不影响信号检测。红外激光传感器采用大型的高性能光学接收镜头，提高信号接收准确率。该两个检测单位同时对通过电机车进行检测，检测结果相互校准，避免了因检测设备故障、漏检导致信号显示单位无法正确显示。

视频监控单元为弯道防撞系统的辅助单元，主要作用是监督电机车司机严格按照红绿灯指示通行，同时便于管理人员对未按照信号灯通行的司机进行处罚。

5 结语

金属矿山井下有轨运输设备作为保证矿石产量的重点设备，能否安全、高效运行，关系到一个矿山是否能正常生产。通过设计的电机车弯道防撞系统，确保了电机车通过弯道路口的安全性，有效避免电机车发生碰撞、追尾等事故。同时，该系统极大的降低了电机车司机、井下调度人员的工作量强度。