陳天航

摘 要：針對(duì)煤礦井下斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)事故尤其是跑車(chē)事故多發(fā)現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)特點(diǎn)分析，應(yīng)用電動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研制了遠(yuǎn)距離嵌入式隱藏防跑車(chē)系統(tǒng)，其在多個(gè)煤礦應(yīng)用，有效防止并杜絕了斜巷跑車(chē)事故的發(fā)生，為煤礦運(yùn)輸尤其是斜巷運(yùn)輸安全做出了貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：礦井；斜巷運(yùn)輸；嵌入式；擋車(chē)系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.046

1 前言

煤礦井下運(yùn)輸包括，井筒提升，大巷運(yùn)輸、不同水平工作面之間的斜巷運(yùn)輸。在這些運(yùn)輸中，軌道運(yùn)輸及其安全非常重要。另外，由于煤礦井下斜巷由于空間小、工作環(huán)境惡劣等，成為煤礦井下運(yùn)輸中的事故多發(fā)區(qū)域，而斜井運(yùn)輸事故中最為嚴(yán)重的事故之一就是斜巷跑車(chē)事故[1]。雖然經(jīng)過(guò)煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)廣大工程技術(shù)人員的多年不懈努力，煤礦斜巷安全防護(hù)得到了一定的改善，但仍存在著許多不安全因素[2]，因此，杜絕煤礦斜巷運(yùn)輸?shù)呐苘?chē)事故，是保證煤礦斜巷軌道運(yùn)輸安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[3]。針對(duì)以上問(wèn)題，安徽理工大學(xué)與淮北礦業(yè)集團(tuán)合作，研制了遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)，有效防止并杜絕了此類(lèi)事故的發(fā)生，為煤礦運(yùn)輸尤其是斜巷運(yùn)輸安全做出了貢獻(xiàn)。

2 遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)工作原理

嵌入式防跑車(chē)裝置根據(jù)煤礦井下斜巷現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在礦車(chē)軌道布設(shè)一些傳感器，一旦礦車(chē)到達(dá)相應(yīng)位置，其傳感器動(dòng)作，可編程控制器檢測(cè)到傳感器的信號(hào)，通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分享判斷，再根據(jù)情況決定氣控閥的開(kāi)閉和保險(xiǎn)擋的自動(dòng)起落。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)?shù)V車(chē)正常下行時(shí)，當(dāng)行駛至測(cè)速區(qū)速度傳感器（此速度傳感器由A、B兩個(gè)霍爾傳感器構(gòu)成）區(qū)間，霍爾傳感器將速度等信號(hào)發(fā)生給可編程控制器的CPU，PLC的CPU通過(guò)檢測(cè)的速度判斷礦車(chē)的速度是否在正常范圍，若礦車(chē)的速度低于設(shè)定的閾值，可編程控制器將觸發(fā)氣控閥動(dòng)作，從而使得保險(xiǎn)擋落下并保持該狀態(tài)，若礦車(chē)的實(shí)際速度超過(guò)了設(shè)定的閾值并繼續(xù)運(yùn)行，常閉擋車(chē)器就不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)并反饋給絞車(chē)司機(jī)，從而預(yù)防事故的發(fā)生。此時(shí)往下運(yùn)行的礦車(chē)通過(guò)位置傳感器C（一個(gè)霍爾傳感器）時(shí)，位置傳感器C的信號(hào)不產(chǎn)生命令。上行時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)位置傳感器C時(shí)，位置傳感器C檢測(cè)到礦車(chē)通過(guò)，并發(fā)出信號(hào)傳遞給可編程控制器， PLC的控制器CPU觸發(fā)電磁氣控閥動(dòng)作，保險(xiǎn)擋升起，PLC控制器觸發(fā)氣控閥動(dòng)作保持保險(xiǎn)擋常閉。

3 嵌入式隱藏?fù)踯?chē)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

把傳統(tǒng)的被動(dòng)防跑和主動(dòng)監(jiān)控兩者有機(jī)的結(jié)合，設(shè)計(jì)一套新型煤礦斜巷防跑車(chē)系統(tǒng)，同時(shí)具有自動(dòng)報(bào)警和自我檢測(cè)的功能。根據(jù)前面所述的斜井跑車(chē)事故原因、斜井防跑車(chē)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和礦區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析，遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）采用可編程控制器（PLC）控制。采用可編程控制器控制斜巷跑車(chē)防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)礦車(chē)速度檢測(cè)、控制擋車(chē)器的動(dòng)作、系統(tǒng)故障報(bào)警等多重保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)礦車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和防護(hù)。在礦車(chē)工作在正常運(yùn)行速度下，嵌入式防跑車(chē)這種的保險(xiǎn)擋提升、落下；當(dāng)?shù)V車(chē)的運(yùn)行速度超過(guò)一定限制，也就是判斷為跑車(chē)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)嵌入式防跑車(chē)的保險(xiǎn)擋拒動(dòng)。

（2）該嵌入式遠(yuǎn)程防跑車(chē)的擋車(chē)裝置自動(dòng)化程度高，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了運(yùn)輸效率。

（3）遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)還具有擋車(chē)器狀態(tài)監(jiān)視、語(yǔ)言報(bào)警等功能。

（4）遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)功能，檢修方便、安全可靠。

（5）遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)能夠杜絕主觀因素和客觀因素等造成的各類(lèi)事故發(fā)生。

（6）整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，制作成本低，制作和安裝工藝簡(jiǎn)單。

4 遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)控制系統(tǒng)由5部分構(gòu)成： 包括測(cè)速裝置、視頻監(jiān)控裝置、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、隱式車(chē)擋機(jī)構(gòu)和控制裝置等，如圖2所示。

4.1 霍爾傳感器測(cè)速裝置

霍爾測(cè)速傳感器一般都安裝在煤礦井下運(yùn)輸軌道外側(cè)，在礦車(chē)的車(chē)廂上安裝磁性材料。當(dāng)?shù)V車(chē)通過(guò)時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而使得霍爾速度傳感器檢測(cè)出礦車(chē)的運(yùn)行速度?；魻枩y(cè)速傳感器之所以在煤礦井下得到應(yīng)用，是因?yàn)槠渚哂许憫?yīng)速度快、調(diào)節(jié)安裝方便、分辨能力強(qiáng)、抗粉塵、潮濕、抗干擾能力強(qiáng)、適用溫度廣等優(yōu)點(diǎn)[4]。

根據(jù)臨渙礦為非磁性礦、斜巷內(nèi)在礦車(chē)運(yùn)行時(shí)易起粉塵、不需全程監(jiān)控等實(shí)際情況，因而選用霍爾測(cè)速傳感器。

4.2 視頻監(jiān)控裝置

根據(jù)圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻傳輸技術(shù)發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦安全生產(chǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵部分。

在本系統(tǒng)中，只需要監(jiān)控到礦車(chē)運(yùn)行狀況。在礦區(qū)原有的視頻監(jiān)控基礎(chǔ)上，擴(kuò)展加入巷道監(jiān)控模塊即可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦車(chē)運(yùn)行的監(jiān)控。采用價(jià)格較為低廉煤礦井下防爆式攝像儀。

4.3 嵌入式擋車(chē)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置

嵌入式擋車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置用來(lái)控制車(chē)擋開(kāi)閉。一般有氣動(dòng)式、液動(dòng)式、電動(dòng)式等。

嵌入式擋車(chē)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置包括換向閥、空氣濾清器和氣缸及等。

氣動(dòng)裝置亦具有響應(yīng)快，動(dòng)作靈活，不需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的氣源為充足易得的礦井通用高壓氣源，清潔無(wú)污染。沖擊小。

在反復(fù)調(diào)研和比較的基礎(chǔ)上，采用氣動(dòng)作為遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。

4.4 嵌入式擋車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

懸空式擋車(chē)機(jī)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)是其動(dòng)作機(jī)構(gòu)完全懸在空間，不致被煤渣堵塞失靈，動(dòng)作靈敏，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。它的缺點(diǎn)是裝料過(guò)高運(yùn)輸時(shí)，容易引起誤動(dòng)作。另外，如一次掛車(chē)輛過(guò)多，活動(dòng)桿連續(xù)被碰，逐漸增大擺幅，也會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

本文采用的是嵌入式擋車(chē)機(jī)構(gòu)，它安裝于軌道平面下方。通過(guò)可編程控制器的CPU模塊和高速計(jì)數(shù)模塊首先檢測(cè)礦車(chē)是否在正常設(shè)定的運(yùn)行速度范圍內(nèi)。若礦車(chē)正常運(yùn)行沒(méi)有超出設(shè)定的運(yùn)行速度，可編程控制器輸出控制驅(qū)動(dòng)氣控閥動(dòng)作，保險(xiǎn)擋落下，礦車(chē)正常通行。若編程控制器的CPU模塊和高速計(jì)數(shù)模塊檢測(cè)出礦車(chē)處于超速運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)擋車(chē)裝置不會(huì)動(dòng)作。

4.5 嵌入式擋車(chē)系統(tǒng)電氣控制核心

整個(gè)系統(tǒng)共分為手動(dòng)、自動(dòng)和測(cè)試3種工作方式，通過(guò)操作箱上相應(yīng)的控制開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行選擇。測(cè)試方式是在系統(tǒng)安裝或者檢修時(shí)使用的一種工作方式，通過(guò)測(cè)試按鈕用以測(cè)試擋車(chē)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。手動(dòng)方式是通過(guò)手動(dòng)按鈕來(lái)控制保險(xiǎn)擋的回落與升起。自動(dòng)工作是正常情況下使用的工作方式，分為礦車(chē)正常運(yùn)行和發(fā)生跑車(chē)兩種情況。

（1）正常運(yùn)行。礦車(chē)下行時(shí)，保險(xiǎn)擋處于“常閉式”防護(hù)狀態(tài)，礦車(chē)經(jīng)過(guò)速度傳感器時(shí)，速度傳感器得到的礦車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度等于提升機(jī)的速度，將保險(xiǎn)擋回落，隱藏于地下，讓礦車(chē)通行。

（2）發(fā)生跑車(chē)。當(dāng)速度傳感器測(cè)得的礦車(chē)速度大于提升機(jī)的速度、傳感器或提升機(jī)故障報(bào)警時(shí)，保險(xiǎn)擋不動(dòng)作，阻擋礦車(chē)通過(guò)。

嵌入式防跑車(chē)系統(tǒng)的電氣原理如圖3所示。

裝置送電后，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，可編程控制器的CPU模塊使4個(gè)傳感器開(kāi)始檢測(cè)。然后可編程控制器判斷擋車(chē)裝置是否升起到位。當(dāng)?shù)V車(chē)正常運(yùn)行行駛到速度傳感器檢測(cè)區(qū)域，可編程控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制觸發(fā)氣控閥進(jìn)行工作，使擋車(chē)裝置降下，礦車(chē)正常通過(guò)。若礦車(chē)速度超出事先設(shè)定的最大運(yùn)行速度，也就是判斷為跑車(chē)發(fā)生，此時(shí)通過(guò)可編程控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)將擋車(chē)裝置保持升起的位置狀態(tài)即，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦車(chē)進(jìn)行可靠攔截，杜絕了跑車(chē)事故的發(fā)生。當(dāng)?shù)V車(chē)上行通過(guò)安裝于上部距離保險(xiǎn)擋一輛礦車(chē)長(zhǎng)度的位置傳感器時(shí)，位置傳感器將發(fā)出礦車(chē)已通過(guò)的信號(hào)， PLC控制升起剛經(jīng)過(guò)的保險(xiǎn)擋，這時(shí)礦車(chē)?yán)^續(xù)上行通過(guò)速度傳感器，如果在礦車(chē)在完成此次上行運(yùn)行過(guò)程中，速度傳感器再次檢測(cè)到礦車(chē)通過(guò)的信號(hào)，如果出現(xiàn)跑車(chē)現(xiàn)象，發(fā)出警報(bào)。如果由于故障使得下落保險(xiǎn)擋或升起保險(xiǎn)擋在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的動(dòng)作，此時(shí)可編程控制器及其輸出裝置將使提升裝置停車(chē)，從而保護(hù)了斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)的安全。

4.6 擋車(chē)控制系統(tǒng)工作過(guò)程

（1）當(dāng)?shù)V車(chē)處于礦車(chē)下行狀態(tài)：本裝置接通電源，絞車(chē)啟動(dòng)。① 若礦車(chē)運(yùn)行速度在正常范圍內(nèi)，PLC控制箱將控制氣缸進(jìn)行收起保險(xiǎn)擋的動(dòng)作；②若礦車(chē)速度達(dá)到或超過(guò)事先設(shè)定的運(yùn)行最大速度，也就是判斷超出正常運(yùn)行速度時(shí)，可編程控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)將不就行輸出，嵌入式擋車(chē)裝置保持升起的位置狀態(tài)，對(duì)認(rèn)為已經(jīng)超速的礦車(chē)進(jìn)行可靠攔截，避免跑車(chē)事故發(fā)生。保障了斜巷運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

（2）礦車(chē)上行：本裝置接通電源，絞車(chē)啟動(dòng)，此時(shí)所有保險(xiǎn)擋下落。上行運(yùn)行過(guò)程是：① 當(dāng)?shù)V車(chē)上行通過(guò)安裝于上部距離保險(xiǎn)擋一輛礦車(chē)長(zhǎng)度的位置傳感器時(shí)，位置傳感器將發(fā)出礦車(chē)已通過(guò)的信號(hào)， PLC控制升起剛經(jīng)過(guò)的保險(xiǎn)擋；② 礦車(chē)上行在未經(jīng)過(guò)速度傳感器時(shí)跑車(chē)，此時(shí)，剛升起的保險(xiǎn)擋不動(dòng)作；礦車(chē)上行在經(jīng)過(guò)速度傳感器后跑車(chē)，這時(shí)速度傳感器測(cè)得的礦車(chē)速度與絞車(chē)信號(hào)比較大于礦車(chē)正常運(yùn)行速度，此時(shí)PLC不動(dòng)作，保持升起狀態(tài)，阻止礦車(chē)?yán)^續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。

（3）車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生跑車(chē)事故，PLC根據(jù)比較速度的發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)礦車(chē)撞擊擋車(chē)裝置的保險(xiǎn)擋，同時(shí)立即停止運(yùn)行，工作人員按照故障復(fù)位后方可繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)輸。

5 嵌入式擋車(chē)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)操作臺(tái)介紹

操作臺(tái)面板示意圖如圖4所示。

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)：此開(kāi)關(guān)與絞車(chē)聯(lián)動(dòng)。即絞車(chē)開(kāi)關(guān)打開(kāi)后此系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)，并默認(rèn)為自動(dòng)運(yùn)行。

指示燈1：亮，表示系統(tǒng)已開(kāi)啟。

自動(dòng)運(yùn)行按鈕：按此按鈕后擋車(chē)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在此狀態(tài)下，按手動(dòng)運(yùn)行按鈕可切換至手動(dòng)運(yùn)行。

上行/下行開(kāi)關(guān)：此開(kāi)關(guān)與絞車(chē)上行、下行開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)，控制絞車(chē)與擋車(chē)控制系統(tǒng)完成自動(dòng)運(yùn)行。

指示燈2：亮，表示系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

手動(dòng)運(yùn)行按鈕：按此按鈕后擋車(chē)系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在此狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，按自動(dòng)運(yùn)行按鈕不可切換，必須等絞車(chē)停止后才可切換。

指示燈3：亮，表示系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

全復(fù)位按鈕：此按鈕用于將所有保險(xiǎn)擋復(fù)位于常閉狀態(tài)，即升起狀態(tài)。

速度顯示屏：顯示速度傳感器測(cè)得的速度。

保險(xiǎn)擋狀態(tài)指示：燈為綠色，表示保險(xiǎn)擋處于升起狀態(tài)，黃色表示保險(xiǎn)擋處于收起狀態(tài)。紅色表示這個(gè)保險(xiǎn)擋已發(fā)生故障。1、2、3…表示保險(xiǎn)擋從上到下的序號(hào)。

保險(xiǎn)擋控制按鈕：用于在手動(dòng)控制狀態(tài)下，控制各個(gè)保險(xiǎn)擋的升起與下落，+為升起，-為下落。與上方的保險(xiǎn)擋狀態(tài)指示燈相對(duì)應(yīng)。

視頻顯示：用于防爆攝像頭實(shí)時(shí)顯示巷道內(nèi)拍攝的畫(huà)面。

喇叭與報(bào)警燈：用于在跑車(chē)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。此時(shí)喇叭重復(fù)發(fā)出警報(bào)聲，報(bào)警燈為紅色并閃爍。

5.2 擋車(chē)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行程序設(shè)計(jì)

擋車(chē)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行與手動(dòng)運(yùn)行的程序流程圖如圖5所示。

（下轉(zhuǎn)第46頁(yè)）

（上接第55頁(yè)）

在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，在下行時(shí)，如果速度傳感器得到的礦車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度等于提升機(jī)的速度時(shí)，將保險(xiǎn)擋桿收起，隱藏于地下，放礦車(chē)通過(guò)。當(dāng)速度傳感器測(cè)得的礦車(chē)速度大于提升機(jī)的速度、傳感器或提升機(jī)故障報(bào)警時(shí)，不產(chǎn)生動(dòng)作，阻擋礦車(chē)通過(guò)。上行時(shí)，如果位置傳感器檢測(cè)到有礦車(chē)通過(guò)的信號(hào)，將其上方的距離最近的保險(xiǎn)擋桿收起，隱藏于地下，放礦車(chē)通過(guò)，礦車(chē)通過(guò)位置傳感器后，保險(xiǎn)擋及時(shí)升起。

5.3 上位人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

界面如圖6所示。

6 總結(jié)

（1）首次將風(fēng)動(dòng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于防跑車(chē)系統(tǒng)。采用風(fēng)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的擋車(chē)裝置，當(dāng)速度傳感器檢測(cè)到礦車(chē)速度大于提升機(jī)的速度時(shí)，風(fēng)動(dòng)裝置自動(dòng)打開(kāi)巷道風(fēng)管氣閥對(duì)擋車(chē)機(jī)構(gòu)的氣缸供氣，迅速將保險(xiǎn)擋從軌道平面地下向上升起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)礦車(chē)的阻攔。

（2）隱形式的擋車(chē)設(shè)計(jì)。礦車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，擋車(chē)機(jī)構(gòu)嵌入在斜巷軌道中央地下，隱藏于軌道平面之下，發(fā)生跑車(chē)時(shí)，擋車(chē)機(jī)構(gòu)迅速?gòu)能壍榔矫娴叵孪蛏仙饛亩煽孔钃醯V車(chē)，防止跑車(chē)事故發(fā)生。

（3）遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制、顯示和報(bào)警。大大減少了斜巷工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

遠(yuǎn)距離嵌入式風(fēng)動(dòng)保險(xiǎn)擋車(chē)系統(tǒng)控制裝置和擋車(chē)機(jī)構(gòu)動(dòng)作靈活，工作穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，易于操作，監(jiān)控系統(tǒng)可靠直觀。擋車(chē)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料、配件容易購(gòu)置，易于加工；可以承受較大速度的礦車(chē)撞擊；造價(jià)低廉，經(jīng)濟(jì)效益明顯。整個(gè)系統(tǒng)維修量小，節(jié)省人力，減少了人員的管理。

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