申朝波， 史海明， 李德彬， 楊俊青

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司錫鐵山項(xiàng)目部， 青海 錫鐵山 816203)

1 前言

錫鐵山鉛鋅礦主斜坡道原交通信號(hào)系統(tǒng)于2009年由西北冶金研究院電氣自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)并安裝，至今運(yùn)行已有8年，其工作原理與國(guó)內(nèi)的礦山斜坡道的信號(hào)控制原理基本上相同，是通過(guò)安裝在斜坡道內(nèi)的讀卡器識(shí)別下井車輛上安裝的定位卡，并控制斜坡道內(nèi)安裝的信號(hào)燈，自動(dòng)調(diào)度機(jī)動(dòng)車輛運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)合理避讓，達(dá)到安全高效的運(yùn)輸目的[1-4]。

原斜坡道信號(hào)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、讀卡器、定位標(biāo)簽、信號(hào)燈、信號(hào)線纜、信號(hào)光纜、中繼器和光電轉(zhuǎn)換模塊等組成；每一臺(tái)下井工作的機(jī)動(dòng)車輛上都裝有一個(gè)定位標(biāo)簽，其主要作用是定位車輛的具體位置，每一個(gè)錯(cuò)車場(chǎng)裝有兩臺(tái)讀卡器和兩個(gè)信號(hào)燈，分別安裝于錯(cuò)車場(chǎng)的上下口，共有22個(gè)錯(cuò)車場(chǎng)安裝了讀卡器和信號(hào)燈。讀卡器的主要作用是讀取每一臺(tái)機(jī)動(dòng)車上定位標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)信號(hào)線纜、中繼器、光電轉(zhuǎn)換模塊把讀卡器接收到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)后臺(tái)的程序運(yùn)算后區(qū)分每一臺(tái)機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行狀態(tài)，從而來(lái)改變信號(hào)燈的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)斜坡道內(nèi)的車輛有序、安全和高效運(yùn)行。

2 原系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

原斜坡道信號(hào)系統(tǒng)組成電氣元件：車輛定位模塊、讀卡器、ADAM- 4571模塊、EKI- 2526S模塊、ADAM- 4510S模塊、EKI- 2541S模塊、12V直流電源、通訊光纜、信號(hào)線纜、信號(hào)燈、中繼器和上位機(jī)，具體接線方式如圖1所示。

圖1 原系統(tǒng)接線方式圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理：無(wú)源定位模塊安裝在機(jī)動(dòng)車輛上，每個(gè)車場(chǎng)安裝兩個(gè)讀卡器，當(dāng)車場(chǎng)內(nèi)的讀卡器檢測(cè)到有車輛上安裝的定位模塊時(shí)，讀卡器通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊和光纜傳輸至上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的軟件處理，辨別出車輛的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)置位或復(fù)位信號(hào)燈。

3 原系統(tǒng)存在問(wèn)題

2016年1月，公司接手管理該礦山后發(fā)現(xiàn)斜坡道信號(hào)系統(tǒng)使用過(guò)程中一直存在信號(hào)燈變化比較緩慢，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)讀卡器的讀卡速度太慢，車輛的速度只要稍微加快，系統(tǒng)畫面就會(huì)出現(xiàn)丟車或信號(hào)燈變化紊亂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響斜坡道車輛正常運(yùn)行。針對(duì)上述問(wèn)題，我公司相關(guān)技術(shù)人員對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的原理進(jìn)行調(diào)查、研究和分析后發(fā)現(xiàn)個(gè)別車輛上安裝的定位標(biāo)簽損壞、讀卡器接收信號(hào)距離近、讀卡器損壞等問(wèn)題，部分已損壞的定位標(biāo)簽和讀卡器必須進(jìn)行更換，才能正常使用。

通過(guò)多次與廠家聯(lián)系溝通，進(jìn)行詢價(jià)發(fā)現(xiàn)該信號(hào)系統(tǒng)的備件非常昂貴，例如一個(gè)讀卡器5 800元/個(gè)，一個(gè)4 571模塊8 600元/個(gè)；系統(tǒng)內(nèi)所用備件在市面上沒(méi)有賣家，必須要到廠家訂做而且周期比較長(zhǎng)(約2個(gè)月)。原系統(tǒng)安裝了59臺(tái)讀卡器及其他電氣模塊，考慮到其使用的年限久，大部分電氣元件已經(jīng)到了更換周期，要徹底修復(fù)該信號(hào)系統(tǒng)并保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，需更換較多備件，一次性投入的費(fèi)用較高，而且正常期的維護(hù)成本也會(huì)較高，影響的時(shí)間比較長(zhǎng)?？紤]到上述種種問(wèn)題，繼續(xù)使用原斜坡道信號(hào)系統(tǒng)，修復(fù)和維護(hù)等工作開展困難重重，成本大、周期長(zhǎng)，運(yùn)輸降效，嚴(yán)重制約著井下生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

為盡快恢復(fù)斜坡道交通信號(hào)系統(tǒng)，提高效率、降低成本，經(jīng)過(guò)相關(guān)人員研究討論決定對(duì)斜坡道信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加一套自主研發(fā)的信號(hào)運(yùn)行控制系統(tǒng)。具體改造方法是采用西門子S7- 200PLC、歐姆龍對(duì)射型光電開關(guān)、中間繼電器和7×1.0mm2控制電纜構(gòu)建一套新的信號(hào)控制系統(tǒng)，通過(guò)編寫PLC程序，進(jìn)行計(jì)數(shù)累加運(yùn)算，區(qū)別車輛的運(yùn)行方向和進(jìn)入車場(chǎng)的時(shí)間先后關(guān)系，分別控制各光電開關(guān)，繼而控制信號(hào)燈的啟停，達(dá)到控制斜坡道交通的作用。其中光電開關(guān)主要是檢測(cè)區(qū)分車輛或是人員和還有計(jì)數(shù)作用，控制電纜主要是信號(hào)傳輸作用。

4 系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)原理

1)PLC 安裝位置設(shè)計(jì)

由于斜坡道的任意兩個(gè)車場(chǎng)之間的間隔距離都相對(duì)較遠(yuǎn)，且間隔距離不相同(180～300m不等)，電纜相對(duì)較長(zhǎng)、電壓降大，設(shè)計(jì)中考慮把PLC控制箱安裝于兩個(gè)車場(chǎng)中間位置，用一個(gè)PLC控制兩個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈，這樣可以保證電壓降在允許范圍之內(nèi)，每一個(gè)控制箱控制兩個(gè)上行信號(hào)燈和兩個(gè)下行信號(hào)燈

2)光電開關(guān)設(shè)計(jì)

繼續(xù)利用原斜坡道信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)燈，在每個(gè)錯(cuò)車場(chǎng)的信號(hào)燈下面各安裝兩對(duì)光電開關(guān)，為防止有人員通過(guò)時(shí)導(dǎo)致信號(hào)燈錯(cuò)誤動(dòng)作，要求兩對(duì)光電開關(guān)的安裝間距約2m，并且要串聯(lián)運(yùn)行；硬件安裝完畢后，把光電開關(guān)和信號(hào)燈的信號(hào)線接至西門子PLC端上即可，具體接線原理圖如圖2所示，設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 新系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

當(dāng)有機(jī)動(dòng)車下行運(yùn)行同時(shí)經(jīng)過(guò)并遮擋住車場(chǎng)口安裝的兩個(gè)光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)會(huì)閉合一次，PLC將接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，其內(nèi)部的計(jì)數(shù)累加器指令會(huì)累加一次，同時(shí)會(huì)把上下兩個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈置位紅燈，不讓其他機(jī)動(dòng)車進(jìn)入主巷道內(nèi)；當(dāng)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行至下一個(gè)車場(chǎng)口時(shí)，同時(shí)遮擋住車場(chǎng)口安裝的兩個(gè)光電開關(guān)，這時(shí)PLC會(huì)再接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，其內(nèi)部的計(jì)數(shù)累加器會(huì)減去一個(gè)脈沖，當(dāng)其內(nèi)部的計(jì)數(shù)累加器變?yōu)榱?，同時(shí)會(huì)把上下兩個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈同時(shí)復(fù)位綠燈，也就是機(jī)動(dòng)車下行時(shí)不允許跟車一起下，機(jī)動(dòng)車之間的距離必須相隔一個(gè)車場(chǎng)的距離，防止在車場(chǎng)內(nèi)堵車；當(dāng)有機(jī)動(dòng)車上行運(yùn)行同時(shí)經(jīng)過(guò)并遮擋住車場(chǎng)口安裝的兩個(gè)光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)會(huì)閉合一次，PLC會(huì)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器指令會(huì)累加一次，同時(shí)會(huì)把上個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈置位紅燈，如果連續(xù)有N個(gè)機(jī)動(dòng)車上行時(shí)那么計(jì)數(shù)累加器會(huì)累加N次，當(dāng)機(jī)動(dòng)上行至上車場(chǎng)口時(shí)，同時(shí)遮擋住車場(chǎng)口安裝的兩個(gè)光電開關(guān)，這時(shí)PLC會(huì)再接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器會(huì)減去一個(gè)脈沖，當(dāng)其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器減為零時(shí)，會(huì)把上個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈復(fù)位綠燈，也就是如果機(jī)動(dòng)車上行時(shí)允許N臺(tái)機(jī)動(dòng)車在保證安全的情況下可以一起上行，這樣即可以保障斜坡道內(nèi)行車安全，還可以提高運(yùn)輸效率。

5 系統(tǒng)改造后的優(yōu)點(diǎn)和效果分析

PLC斜坡道交通信號(hào)控制系統(tǒng)開拓創(chuàng)新，從實(shí)用、高效和低成本的思路出發(fā)，改變?cè)械男盘?hào)控制系統(tǒng)的控制模式，其優(yōu)點(diǎn)和效果體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)效率提高：改造后的斜坡道交通信號(hào)燈的反應(yīng)速度經(jīng)實(shí)地測(cè)試相比原系統(tǒng)快了很多，沒(méi)有在出現(xiàn)卡燈現(xiàn)象，提高了斜坡道卡車運(yùn)礦效率。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠：改造后的斜坡道信號(hào)控制系統(tǒng)每個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈都是獨(dú)立控制，車場(chǎng)與車場(chǎng)的信號(hào)燈互不干擾；原信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)燈是一個(gè)整體，一旦有一個(gè)信號(hào)燈出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)都陷入癱瘓狀態(tài)，無(wú)法正常運(yùn)行，改造后的系統(tǒng)相比原系統(tǒng)運(yùn)行要更加穩(wěn)定。

(3)故障處理便捷：改造后的斜坡道信號(hào)系統(tǒng)車場(chǎng)的信號(hào)燈都是相互獨(dú)立的，如果哪個(gè)車場(chǎng)的信號(hào)燈沒(méi)有變化，就直接維修該車場(chǎng)內(nèi)的信號(hào)燈或是光電開關(guān)就可以了；原信號(hào)系統(tǒng)是一個(gè)整體，一旦信號(hào)系統(tǒng)故障癱瘓以后，必須要一個(gè)一個(gè)車場(chǎng)的去排查，維修效率比較低，對(duì)斜坡道運(yùn)輸?shù)挠绊懘蟆?/p>

(4)成本低廉：改造后的斜坡道信號(hào)系統(tǒng)所用的電氣元件價(jià)格相對(duì)便宜，屬于市面上比較常規(guī)的器件，便于采購(gòu)，并且電氣元件可替代性比較強(qiáng)；原信號(hào)系統(tǒng)的電氣元件價(jià)格昂貴，必須要去廠家定制，所有電氣元件都不能更替，安裝和維修的費(fèi)用高。經(jīng)改造后的主要電氣元件價(jià)格見(jiàn)表1。

表1 斜坡道信號(hào)改造費(fèi)用預(yù)算

6 結(jié)論

斜坡道交通信號(hào)控制系統(tǒng)改造后經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行來(lái)看，總體效果良好，有效解決了原系統(tǒng)故障癱瘓導(dǎo)致斜坡道交通運(yùn)輸管理混亂、生產(chǎn)降效的問(wèn)題。相比原系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，新系統(tǒng)運(yùn)行效率提高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障處理迅速，維修和維護(hù)成本降低，該創(chuàng)新技術(shù)為礦山斜坡道交通運(yùn)輸信號(hào)系統(tǒng)提供借鑒的實(shí)例。

盡管在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)還有一些需要不斷優(yōu)化和改進(jìn)的地方，例如兩車上、下同時(shí)進(jìn)入同一段區(qū)域后，該系統(tǒng)無(wú)法做出指示，司機(jī)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致斜坡道出現(xiàn)兩車無(wú)法避讓的現(xiàn)象等，這也是礦山科技工作者下一步需要繼續(xù)改進(jìn)的地方和方向，努力做到更好。