矿井轨道运输智能监控系统的设计及应用

郝 珉

（汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300）

引言

轨道运输在我国各大矿区应用广泛，是井下运输矸石、物料的主要运输方式。尤其是对于一些服务年限较长的矿井，受限于巷道空间等因素，井下轨道布置错综复杂，加之繁重的运输任务，如果缺乏可靠调度及有效监控，容易造成运输机车顶头、撞车、追尾、出轨、翻车等不同严重程度的事故，对矿井安全高效运输造成较大隐患[1-4]。因此，有必要对矿井的轨道运输工作展开优化研究。

1 工程概况及研究背景

实践矿井井深为400 m，现生产水平为-375 m，煤炭运输系统采用皮带输送机，物料辅运系统采用轨道机车运输，负责将采掘工作面的煤炭和矸石等运出，并将井下的物料运至采掘地点。随着采掘工作的不断深入，井下轨道铺设越来越远，轨道交叉工作情况越来越多，轨道机车的运输任务也越来越繁重，目前-375 m 水平共有11 辆架线电机车进行轨道运输，机车的合理调度及安全运行难度越来越大。矿井运输系统原有一套监控系统，亟需进行改进。

1）运输机车无法准确定位。原监控系统技术老旧，长时间井下潮湿环境影响，传感器精度降低，导致运输机车定位出现偏差或者无法定位到，给运输调度工作造成不利影响。

2）运输机车工况无法实时监控。由于井下运输机车数量较多，且一半以上的机车使用年限已超过5 年，造成机车故障率较高，矿井还未实现对机车工况的实时监控，在机车养护、故障处置方面还需进行改善。

3）未实现智能化、可视化等监控功能。机车目前缺乏高效调度，工作效率较低，且未实现远程自动调度、可视化监控显示功能，无法掌握机车的实时运行状态，对于合理安排工作线路、调度车辆位置、进行道岔切换等缺乏有效指导。

2 智能监控系统总体方案设计

2.1 智能监控系统架构设计

智能监控系统遵循地面监控层、PLC 控制层、井下设备层的三层结构设计，如图1 所示。地面监控层设置在调度室，主要由监控计算机、数据服务器、打印机等组成；PLC 控制层主要由一个控制主站和相关控制分站组成，是整个系统的核心，负责信息指令的上传下达，其功能设计及工作效率直接决定整个系统的功能实现；井下设备层通过供电电路及以太网络接入PLC 控制层，主要包括现场的电动转辙机、道岔指示器、轨道计轴器、信号机、语音箱、触摸屏、视频监控系统等组成[5-6]。

PLC 控制系统的功能设计至关重要，根据该矿具体情况和系统改造要求，要求实现的基本功能有：准确定位系统内机车的实时位置、行进方向和行进速度，并在地面监控计算机运行图中进行动态显示；智能控制或者根据地面调度室指令，对电动转辙机、道岔指示器、信号机、语音箱等进行控制，根据要求下达道岔切换指令等；完成供电网络及通讯网络的设计布置，保证数据信息的实施传输。

2.2 监控系统网络构建及软件设计

在整个监控系统中，由于要实现信息实时上传、视频监控、采集信息、指令收发等功能，三层模块之间需要较高的数据传输速率。设计应用西门子S7-1200 型PLC 的以太网络接口，基于交换机作用，将信号进行转换及传输，构建起供系统应用的内部工业以太网络，并搭建起机车设备实时显示网络结构。为便于设备耦合对接以及支持S7-1200 型PLC 的编程组态，使用西门子STEP7-V13 编程软件进行本系统软件开发，即WINCC 计算机智能监控软件，主要分系统管理、数据管理、监控界面三大模块，如图2 所示，可实现用户管理、故障记录、运行记录、报表打印、监控操作等功能。WINCC 与PLC 控制主站在内部工业以太网络中，通过IP 地址配置进行通讯连接，实现软硬件系统关联。

图2 控制系统工作流程示意图

3 应用情况分析

根据设计的总体方案、软件程序及工作流程，研发出矿井轨道运输智能监控系统，并在该矿实践应用。监控系统升级使用后，符合设计预期，顺利通过多项验收，并实现了以下功能及特性：

1）运输机车精确定位及实时显示。在每部机车上安装带有其信息的识别卡，基于无线射频技术，并与轨道计轴器共同作用，实现了运输机车的精确定位，并将定位数据上传，在调度室计算机实时显示其位置以及与其他机车的位置关系，同时，基于视频监控系统，对机车运行状态有了更直观的展示，便于调度操作。

2）轨道道岔远程控制功能。道岔实现了就地控制、遥控器控制以及系统远程控制功能，同时，道岔的切换状态可实时上传，并在调度室计算机以电子图形的方式进行直观展示；同时，道岔具备闭锁功能，系统执行远程调度指令时，自动将道岔进行闭锁，防止误操作。

3）故障分析及应急处置功能。系统对运输机车、其他电气设备、轨道、保护系统等进行不间断监控，动态分析设备运行参数，一旦出现参数失常或其他异常情况，将立即采取紧急停车等应急处置措施，并发出故障警报，使系统处于安全高效的运行状态。

4 结语

矿井轨道运输监控系统升级运行至今，保持着稳定的状态，对于运输机车的动态监控、车辆调度、故障分析处置等发挥了关键作用，且整个系统操作便捷，维护简单，可靠性高，对整个轨道运输工作切实起到了优化改良作用。