井下电机车地面远程遥控系统研究与应用

黄元叶

（宜春钽铌矿有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

目前我国尚无成熟的远距离遥控井下电力机车的先例。矿井电机车全部由现场手动驾驶，作业方式为：装矿时，每辆电瓶车都要跟着一名放矿员在放矿时对车；放矿等作业要求矿工与机车司机之间的持续信息交流。配合、二次对车容易造成人为效率降低、装载异常，存在安全隐患。瑞典基律纳地下铁公司在20 世纪70 年代就着手开发无线遥控电力机车和无线通信技术，并在此基础上实现了对无线遥控列车的远程控制。如今，其主干道级别已经降到了-1045 m，也是首次使用无人驾驶水平轨道，其主要功能是在列车行驶时，实现自动驾驶，到达装矿点位后，由主控室内遥控。

1 工程概述

某矿区阶段采掘范围为-330 m。一期矿山生产能力为320万吨/年，年产矿石25 万吨。采区共有13 口矿岩溜井，-180 m 以上采区矿岩经溜井至-180 m，-180 m 段为环形输送，4 条穿脉段用有轨运输法将13 条矿岩溜井送至主溜井，为下段粉碎和提升系统作好原料。采场矿岩运输：20 t 电力机车从主井车场拉起10 m 的下侧卸矿车，通过石门的车行；上盘巷；运输巷、经脉、穿脉、装矿，装上矿石后，沿穿脉、下盘运输巷、车场石门、主井车场的卸货。因受现场环境及装备等因素的制约，在整个交通等级上，电机车滑线断点达16 条，因此，在断电时，需要采用手动方式降落。在矿井溜井的下部，利用振动式放矿器，把溜井液中的矿料装进10 m3的底部卸料小车，最大溜距为800 mm。本装置使用XLZ 型滑井振动放矿器，2 块平板并联，向矿车中装载矿石，每辆矿车进行2 次对位放矿。-180 m 分段式交通系统的窄轨采用900 mm 的轨距和43 kg/m 的轨距。列车运行3 列，每一列牵引8台10 m 长的底部侧卸式矿车，4 辆20 t 的电力机车，3 辆运行，1辆待命，10 m 下侧卸式采煤机24 个，备用8 个，4 辆电力机车全部由ZKT-2×200/550 型的IGBT 斩波调节器进行，由人工手动控制，电机车前制动为脚踏式气压制动器，电动弓架为手动起重[2]。

2 井下电机车地面远程遥控技术

该系统是一套完整的矿井电力机车运输系统，包括数字派配矿、控矿控制。风控操作：各种安全防护功能的自动卸载和操作。通过一个统一的平台，对运输系统进行有效的分析和决策，建立起一个整体的逻辑关系，实现了运输系统的有效运行。主要技术：一是将机械、电气、自动化控制、计算机、有线通信、无线通信等技术结合起来，在全国率先实现了对矿电机车的地面控制。二是利用电联回路控制、受电信号自动提升控制等技术，对常规的斩波调速井下电力机车进行技术改造，使矿井运输系统实现自动化。三是在保证系统安全、稳定、高效运行的前提下，解决了地下矿井无线通信覆盖、大容量、实时交叉等技术难题。第一阶段的采场配矿，是指由采场进路上的铲运车出矿，然后将其倒出到采场的溜井。依据地质模型，依据放矿椭球原理，建立了相应的数学模型，并对各铲的各项参数进行了计算。二次主溜井配矿，是指用电机车从各个溜井中把矿石装入到主溜井的配矿工艺。根据一次开采的成果，从产出、质量、安全、状态、时间等方面，通过建立数学模型，对各个溜井的放矿次序、放矿量进行控制，以确保出矿平衡、稳定。根据二次配矿计划的生产进度，在破碎作业区调度操纵“信集闭”的控制系统，并对机车的作业区段及装矿点进行指令。远距离遥控电机车按照“信集闭”的运行路线及指示，完成主要运输作业。

3 井下电机车地面远程遥控系统组成

3.1 派配矿单元

煤矿下窄轨信集中控制系统的主、分站均位于煤矿地下交通系统，主分站设置在地下交通系统，地面主控室设有作业平台，地下运输层采用无线通信，井下输送层采用地下通信。100 M网络通信系统由1 台位于地面中心机房的主开关及1 台地下传输级网路分交换机组成，不间断电源系统位于中心机房，井下电力机车及井下交通水平网路分交换机各1 台，在井下输送水平溜井处设置了溜井遥控装矿装置，在井下输送的水平溜井上，在井下输送水平溜井装矿点位上安装了溜井遥控装矿视频监测系统，井下窄轨信号的集中和闭合控制。溜井遥控装矿系统与地面中央机房的主交换机通过100 M 网络相连，电力机车的自动防护系统提供安全防护，与地下电力机车进行通信，并与地面中心计算机的主交换机连接，形成完整的通信网路，可进行实时的数据采集、判断、分析、控制、执行、显示和存储。溜井远程装矿视频监测系统是通过专用的光纤网络，将现场的实时图像传输到地面监控平台上，以达到监测煤矿生产的目的[3]。

3.2 机车单元

该矿的电力机车输送系统共有4 部20 t 电力机车，其中3部运行、1 部待机。主控室操作员在电脑上操作，确定要控制的电力机车，一台电力机车只能由一个控制台来选择，这时，控制台与实际控制的装置建立了联系，它发出的命令仅控制选定应答的受控目标。本模块是对电力机车的各项操作及生产报告进行统计，对电力机车的查询、故障信息等进行实时显示。

3.3 运行单元

地面遥控操作员利用电脑系统，将载重命令发送到破碎作业调度，由调度员按照作业进度，操纵"信集闭"自动控制系统，协调电力机车的运行轨迹及可启动时间，对井下道岔和信号灯进行自动控制，由地面操作员依据自身的机车位置及“信集闭”系统发出的信号，远程遥控机车至指定的装矿溜井[4]。

3.4 通信单元

基于TCP/IP 协议，以工业Ethernet 为骨干，采用Wi-Fi 技术，在矿井下设置几个Wi-Fi 基站，构成了1 个由主干和1 个无线基站组成的棒状网络，对整个矿井进行无线信号覆盖，并在电机车上安装Wi-Fi 通信终端，在控制室内实现远程遥测。通信系统采用一体化的网络设备，如工业交换机、无线基站、车载终端、电源设备、网络管理软件等。整个通信系统分为两大部分：①管理部分，通过监视器，实现通信过程的实时监测与管理，包括主机、网络管理软件、供电设备等，软件具有网络配置、监控、通信故障诊断、定位和报警功能，以满足网络管理的特定需求[5]；②资料传送部分，数据传送系统包括工业以太环网、现场电源、无线通信基站、车载数据终端等。无线基站通过有线接入工业以太网，并可以根据矿井的布置和矿井的位置，灵活地选择网络，达到对矿井主巷的Wi-Fi 覆盖。井下装置采用开关接口接入以太网，通过在井下安装现场操作台，实现了对井下设备和网络的实时控制和配置查询。该系统分为上下两部分，地面控制室配备了网络管理计算机，核心交换机，U1’S 供电。矿井部分按实际情况设置了几个工业开关、无线通信基站、电源箱，每台电源箱为1台基站供电。该系统采用了方位天线和全向天线的组合，在直向基站中，利用2 个倒置的定向天线，向前、后2 个方位接收和接收无线电信号，在实际构建中，根据网络的强度，调整节点的位置、天线类型、方向和数目，以达到覆盖整个网络的目的。

3.5 装矿单元

电力机车按照指示开往指定的采场，由主控室的操作员在电脑的操作下，选定所要控制的滑井装矿设备（这是唯一的选项，也就是每个滑井的2 台振动采矿机都可以由1 个操作台来选择），这时，控制工作台的操作与被控制装置建立了联系，它发出的命令仅对选定的受控目标进行控制。采用-180 m 水平1#变电站的PLC 自动控制系统，在每1 条线路上安装了自动控制子站，并与各溜井的振动放矿机进行了连接与控制，并对13 台振动放矿机进行了自动控制。对13 台振动放矿机，26 台电机进行了电气改造，实现了远距离自动控制，利用PLC 实现了对采煤机的数据采集，并利用已有的自动化光缆与主控室进行双向通信，在地面操作台上选定了溜井放矿机，并与所选放矿机建立了联系，从而实现了主控室对选定放矿机的控制。在确定了溜井放矿机之后，要按照选定的溜井编号，切换控制台的监控屏幕，将13 个溜井的放矿机安装在一起，并与主控室的装矿控制台相连。主控室操作员通过监控视频，在控制台上安装了一个控制手柄，实现了对采矿机振动放矿和电机车的遥控定位，在溜井施工现场设置参考标志，方便地面上的视频观测，以确保在装矿时能装满，不出现超高漏矿等。每一溜井振动放矿机均设有A、B 两台电机，采用控制选项，可使2 台电机或1 台单机同时工作，设置矿石停止控制键以避免错误操作，放矿作业中的突发事件处置：将放矿机的主电源控制与自动控制系统相连接，以保证处理突发事故。如果放矿机系统发生故障，不能停止放矿机的放矿，则可由操作平台的控制开关关闭主电源，确保放矿机的安全。当主控台和井下自动控制系统发生通信故障时，该放矿机的主电源会立刻切断，以确保安全，钥匙开关带锁，以避免非操作者的误操作[6]。

3.6 卸矿单元

当远程装卸作业结束后，地面遥控操作员将命令发送到破碎作业调度，调度会根据作业安排，有选择地将物料送到卸料场，而碎料调度则利用“信集闭”的综合协调与指挥功能，对电力机车的行驶路线和启动时间进行控制，并将命令从装料站开到卸货站。机车遥控员按照系统的指示，操纵电力机车进入卸料站，利用控制车速，确保机车平稳地通过弯轨卸料设备，实现了自动卸料和卸料自动化清理。

4 结语

通过在主控制室进行远程控制，对电力机车的各种运行命令进行实时监控，并对发生的故障进行判别，进行声响、光电告警，完善自动运行保护，实现以区间标定速度，遥控电力机车从卸载点至装载点往返的全过程操作，通过遥控采矿放矿机，以标称装载能力为基础，实现远程遥控采矿作业，使井下矿工、机车司机等人员的作业从井底向地面转移，简化作业，提高了作业质量。