煤矿轨道运输智能监控系统的设计及应用分析

吴旗开

（晋能控股煤业集团赵庄二号井， 山西 长治 046000）

引言

在我国大部分矿井作业过程中，轨道运输是最为常见的输送矿石及物料的一种方式。特别是使用时间超过额定年限的矿井，在矿井有限的空间中，巷道排布混乱，加上其中来往反复的运输工作，假如没有相关有效且可靠的监控手段，不仅使矿下工人的人身安全得不到保障，而且非常容易发生脱轨、机车顶头、追尾等严重的矿井交通灾难。所以对轨道运输在矿井下的安全保障运行进行研究是非常有必要的。

1 矿井原轨道运输监控系统现状

通过对某矿井实际调查得出该矿井的深度为400 m，目前的实际作业深度为-375 m，矿井挖出的煤炭通过皮带运输机传动到地面，其他物料装备通过轨道运输系统进行运输，其作用是运出挖掘点的煤炭等矿料，同时将所需要的物料输送至所需要继续采掘的地方。在不断进行作业的情况下，挖掘深度越来越深，所遇工况愈加复杂，且所铺设的轨道交通愈来愈远，工人们作业的安全风险随之不断上升，井下所需要的安全调控系统要求也越来越高。矿井原有的轨道运输系统随着作业深度的加深，急需进行改进[1-2]。

1）运输机车无法准确定位。由于之前使用的监控技术使用年限过长，加之井下复杂的作业环境，使得运输机车无法配合监控系统，屡屡出现定位不准等问题，给矿井采掘运输工作造成很大麻烦。

2）运输机车工况无法实时监控。因为目前在井下多数的运输机车中大部分都已超过额定的使用车龄，导致机车在运输作业过程中故障频发，轨道运输系统还不能完全有效地及时监控到机车突发状况，故在这一方面还要进行很大的改进。

3）未实现智能化、可视化等监控功能。目前，在矿下机车不能有效地纳到监控系统内，无法高效地智能化的进行运营，可视化监控等功能尚未实现，严重影响了井下工作效率，工人的人身安全也不能得到有效的保障。

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

如图1 所示，智能监控系统依照井下设备层、地面监控层、PLC 控制层结构设计。井下设备通过电路和网络接入PLC 控制层，其中主要有视频监控系统、信号机、道岔指示器、电动转辙机等组成。调度室中安放布置地面监控层，其主要设备由打印机、数据服务器等组成。PLC 控制层的主要组成部分有一个控制主站和相关控制分站，这两部分是整个设备系统的核心，作用是传递信息，与整个系统功能的实现直接相关[3-4]。

图1 智能监控系统架构设计示意图

通过对矿井情况的实际调查，轨道运输系统中至关重要的PLC 控制系统所要实现的基础功能有：在机车运行时实时知道机车的位置及行进状况，并能实现可视化监控；在矿井工作时，有时根据需求需要对语音箱、道岔指示器等进行智能控制，下达相关指令等；另一方面，需要通过PLC 控制系统完成井下供电及通讯网络的相关布置，实现信息的及时传输。

2.2 监控系统网络构建及软件设计

在整个轨道运输调控系统中，主要的三个部分之间通过较高的数据传输速率实现指令收发、信息实时上传等功能。通过在设备上应用西门子S7-1200 型PLC 的以太网接口，在交换机的作用下，转换传递信号，构建起轨道运输系统内部的以太网络，以便实时监控机车的运行状况。为便于设备偶合对接以及支持S7-1200 型PLC 的编程组态，通过查找最终决定使用西门子STEP7-V13 编程软件进行本轨道运输系统软件开发，即WINCC 计算机智能监控软件，主要包括监控界面、系统管理、数据管理三大模块，如图2 所示，可实现监控操作、运行记录、报表打印等功能。WINCC与PLC 控制主站在内部系统以太网中，通过IP 地址配置进行通信连接，实现软硬件系统关联[5-6]。

图2 控制系统工作流程示意图

3 可实现的主要功能分析

根据矿井施工要求和作业环境，设计出配套的轨道运输智能监控系统，并在井下实践应用，实现设计预期的目标，多项指标达到相关标准，其中几点功能介绍如下：

1）运输机车精确定位及实时显示。机车在井下工作时，由于其安装有带有信息的识别卡，在无线射频技术和轨道计轴器的作用下，能够实时定位每部机车的运行位置，而且通过可视化智能监控，能够直观地了解机车的运行状态，便于井下的调控和操作。

2）轨道道岔远程控制功能。通过轨道运输系统的可视化监控，井下道岔的切换状态可实时的以电子图的形式直观展现在计算机屏幕上，对道岔的切换实现了有效及时的控制，当进行远程调度的时候，系统将自动对道岔进行闭锁，防止不慎操作。

3）故障分析及应急处置功能。人身安全永远是第一位的，特别是井下工作，安全风险很高，因此系统的应急处置能力至关重要。通过设备在井下的运行实践后，该系统能够实现对轨道、电气设备的不间断监控，若出现紧急情况，应急处置功能将立即采取措施，同时发出故障警报，确保系统的安全运行。

4）实时录像功能。通过井上井下的数字摄像机监控技术，能够全天候的24 h 监控系统及井下工作情况，并将数据上传保存井上井下双备份，数据保存时间至少7 d，在有需要时可随时回放以往数据查看。

5）联网管理功能。该轨道运输系统在采用标准的网络协议后，设置网络接口接入环网或单独组网，就可以在地面或井下监控中心计算机屏幕展现清晰的视频图像，两地同时实现实时监控，方便领导在必要时准确掌握第一手决策信息，确保井下人车的安全管理。

6）Wi-Fi 通信兼容功能。系统网络作为一个开放的网络，能够允许存在其他Wi-Fi 信号的传递输送，这就使井下Wi-Fi 的设置实现了可能，大大便利了井下的作业和系统的高效运行[7]。

4 实践应用效果分析

如上所述将以上所设计的轨道运输系统在井下付诸实践1 年后，各部分运行情况基本良好，没有出现太大的问题。其具体应用效果如下：

1）通过网络设计实现了井下轨道运输的智能化控制，由于智能化控制使得机车的安全运行得到了很大保障，发生事故的概率减小，交通事故严重减少，生产及运输效率极大提高，整个系统直观可控，运行良好。

2）轨道运输系统实现智能化控制，使得井下的各部分工作可在有需要时随时进行调控，并能实时地通过数据摄像机技术实现可视化监控，尤其是要实现远程智能化控制井下的设备和车辆，使其安全高效的运行，该技术水平的实现极大地提升了在该行业的竞争力。

5 结语

通过该矿井轨道运输系统的升级改造，至今该系统在运行过程中没有出现太大的故障问题，运行状况一直保持良好，其中通过可视化智能监控系统，实现了井下机车的实时动态监控，在道岔切换，车辆合理调配等发挥了至关重要的作用，大大提高了井下生产运输效率。同时使整个系统操作简便，稳定性及矿井工作能力大大提高。