高 軍，王旭東，趙 磊，張靖苑

(神東煤炭集團設備維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團公司設備維修中心現有天車種類繁多，存在生產廠家多、控制方式不一，手動操作(有線)容易導致斷線和并線的隱患。由于天車高度較高，信息傳遞不便，操作人員長期工作于噪音大的工作環(huán)境，視野受光線和障礙物影響大，吊裝靠地面人員手勢和空中操作人員交流，定位往往不準確；對地面設備和人員的安全存在威脅等諸多不利因素。在多臺天車同時作業(yè)時，安全防護主要靠人為控制，天車的各部件使用頻度不能進行統(tǒng)計，不能及時有效地維護、改進和數據支持，天車工作時所有工作狀態(tài)和場景不能進行歷史數據追溯，為調查事故或故障原因造成了障礙[1-3]。為進一步提升天車運行安全性、改進系統(tǒng)控制可靠性、人員操作便捷性，便于設備維修保養(yǎng)工作進行，增添少量的硬件設備和軟件系統(tǒng)來優(yōu)化現有的控制系統(tǒng)，以提高天車工作的安全性、可靠性，進而提高工作效率，降低維護成本和使用成本。因此，對神東煤炭集團公司設備維修中心42臺天車進行無線遙控及安全防護技術研究與應用。

1 無線遙控及激光防撞系統(tǒng)

1.1 無線遙控系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：無線遙控技術應具備與天車駕駛室內手動操作相同的功能。操作者通過手持遙控器在吊具旁邊控制大車、小車和吊鉤的起重運行，要求操作方便，以及提高設備使用效率和安全性。

控制模式：無線遙控器的控制模式如圖1所示，是由無線遙控器發(fā)送出無線信號，無線接收控制器接收發(fā)送來的指令，并通過解析指令，輸出相應的控制信號到天車電氣控制箱，實現對應的動作。

圖1 無線遙控器的控制模式

接收器互換：無線遙控器與駕駛室內的手動操作通過轉換開關來控制切換，無線遙控器控制系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)相互獨立，在任何一種操作方式出現故障的情況下，另外一種操作方式可以正常使用不受影響。

1.2 激光防撞系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：在同一個軌道上運行多臺天車時，為了防止天車間的相撞事故，在天車大車的兩端安裝激光報警裝置，在2臺天車靠近到一定距離時，自動斷電停止天車的運行，保證2臺天車的工作安全。

控制模式：激光防撞系統(tǒng)的控制示意圖如圖2所示。目前多臺天車在同一軌道運行時，是通過司機的肉眼觀察，防止天車與天車之間產生碰撞，存在很大的安全隱患。要求采用激光限位技術，運行時天車與天車之間保證安全距離，同時不影響各天車的正常工作。同一個軌道上運行多臺天車時，為了防止天車間的相撞事故，在天車的兩端安裝激光報警裝置，當2臺天車靠近到一定距離時，激光防撞裝置感應到來自對面天車上的反光板反射的激光信號，自動斷電來停止天車往此方向的運行，并發(fā)出報警聲音[4-6]，保證2臺天車的工作安全。而向相反方向的2臺天車則根據設定的安全距離，激光防撞器自動解除報警。

圖2 激光防撞系統(tǒng)的控制模式

激光限位裝置：各天車加裝激光限位裝置，在不影響各天車工作的前提下，將限位距離設置為0.25 m，保證各天車運行在安全范圍之內，相互之間不發(fā)生碰撞[7-8]。避免操作者人為失誤，大大提高安全生產效率。加裝激光限位裝置后，對原來的控制電路進行了相應改進。

2 微機監(jiān)控安全、檢測、控制系統(tǒng)設計

在天車上安裝微機監(jiān)控安全、檢測、控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下功能：天車主要電氣系統(tǒng)的自檢和自身狀態(tài)信息識別；具備檢查自身各控制信號、安防信號的作用；天車上大車、小車和吊鉤位置的信息識別，能夠識別天車及吊鉤所在的位置；能繪制天車上大車、小車和吊鉤實時運行的軌跡，能記錄天車的行程和統(tǒng)計運行時間；對天車圍界進行安全視頻監(jiān)控；對天車的視頻監(jiān)控信息實現無線傳輸、監(jiān)控及APP傳送；便于今后功能的擴展，如實現天車群控等功能。要實現上述功能，主要應解決視頻監(jiān)控、數據采集、微機控制方面的問題。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實現對天車大車的4個行走輪和小車吊鉤下的工作區(qū)域進行實時監(jiān)控。因此，視頻監(jiān)控可安裝于天車大車的4個行走輪附近和小車吊鉤下，從而實現對這些工作區(qū)域的實時監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以進行錄像回放和拷貝功能，為安全事件的調查提供幫助。

行走輪及吊鉤下區(qū)域監(jiān)控：對天車大車的行走輪進行監(jiān)控的示意圖如圖3所示。攝像系統(tǒng)共有4處，每個大車輪位各一個，用來監(jiān)控4個輪位軌道之間的工作狀態(tài)及有無異物。對小車吊鉤下面區(qū)域進行監(jiān)控的示意圖如圖4所示。一臺云臺攝像機安裝在天車上的小車下方，可從終端操作云臺隨時觀察小車下的各方位圖像，也可實時在天車駕駛室和無線終端或另一臺PC上監(jiān)視天車運行情況。視覺監(jiān)控系統(tǒng)在天車上電后可自啟進入運行模式。

圖3 對天車大車的行走輪進行監(jiān)控的示意圖

2.2 數據采集系統(tǒng)

系統(tǒng)構成及功能：數據采集系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。數據采集系統(tǒng)的功能包括：①對天車電氣控制信號的采集；②對圖像信號的采集。

對天車電氣控制信號的采集：對天車電氣控制信號的采集使用PLC(即可編程邏輯控制器)來實現，采集信號通過PLC處理后送到平板電腦中。PLC主要采集在無線遙控器控制下天車工作時的工作狀態(tài)，例如，電源，急停，大車、小車、吊鉤的位置坐標信號；大車、小車和吊鉤的啟動自檢。PLC在天車電源上電時自行開始工作，保證數據監(jiān)控與天車工作同步[9-10]。

圖4 對小車吊鉤下的工作區(qū)域進行監(jiān)控的示意圖

圖5 數據采集系統(tǒng)的示意圖

對圖像信號的采集：對圖像信號的采集使用交換機來實現。交換機采集攝像頭和無線路由器的信號，處理后送到平板電腦中。交換機采集信號的接線如圖6所示。

圖6 交換機采集信號的接線圖

2.3 微機控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)組成：①天車上安裝數據信息采集柜；②箱面上安裝12.1寸工業(yè)級平板電腦和電源開關、電源指示和運行報警燈；③安裝一臺歐姆龍PLC+20路擴展模塊，配4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，36路開關量輸入，24路開關量輸出；④采用220 V交流電源，保證平板電腦和PLC的使用；⑤現場安裝5套攝像頭(1動點、4定點)，具體位置為4個大車承重行走輪各一個，小車視頻監(jiān)控一個，配齊攝像頭的控制和信號傳輸系統(tǒng)(如數字網絡硬盤錄像機、二塊3TB硬盤、千兆網絡交換機等)。在平板電腦上能實時顯示攝像頭送來的圖像；⑥將天車大小車、大小鉤的運行信號、報警信號、限位信號等開關量信號接入PLC，使其在平板電腦上能顯示、處理和儲存這些信息；⑦在平板電腦上用VC編寫上位機控制系統(tǒng)，將PLC送來的信號儲存在數據庫，能顯示、處理和儲存這些信息，也可根據計算結果進行預測和報警(如：接觸器、繼電器、開關等器件使用次數統(tǒng)計及壽命報警等)；⑧通過編程實現天車的安全管理。如：實現天車自身狀態(tài)信息識別，實現運動部分的自檢；天車系統(tǒng)自身各控制信號、安防信號的運行記錄；記錄設備的實時運行軌跡(或時間參數)等功能；⑨天車大車、小車和吊鉤的運行位置計算。通過在各相應傳動部件上安裝非接觸式位置檢測傳感器，通過PLC把數據送到計算機進行位置計算；⑩通過PLC進行天車運動狀態(tài)判別，在天車運行時控制聲光報警器，對吊具下的人員進行安全警示。

控制系統(tǒng)功能：①平板電腦與PLC相連接，實時通信。把PLC采集到的數據進行處理后送到平板電腦中。在平板電腦安裝有自主設計的監(jiān)控軟件，該監(jiān)控軟件用VC6編寫。該監(jiān)控軟件把PLC送來的數據進行處理，再以圖表，狀態(tài)顯示，操作事件列表的形式在監(jiān)控軟件上顯示；②平板電腦與交換機相連接，交換機采集攝像頭和無線路由器的信號，處理后送到平板電腦中。在平板電腦上按照大華監(jiān)控軟件，通過該軟件實現圖像的調用。

監(jiān)控軟件功能：該軟件系統(tǒng)對天車的各個部件的運動軌跡位移進行累計，同時也對運行時間進行累積。軟件上可設定大車、小車和吊具的軌跡累計報警和運行時間報警。所有采集到的數據以數據庫形式保存，并可以通過存儲設備進行備份。監(jiān)控軟件的軟件系統(tǒng)結構圖如圖7所示。平板電腦在天車上電后自動啟動，啟動后監(jiān)控軟件自動運行，保證與天車工作的同步。監(jiān)控軟件接收遙控器發(fā)來指令的工作流程圖如圖8所示。

圖7 監(jiān)控軟件的軟件系統(tǒng)結構圖

圖8 監(jiān)控軟件的工作流程圖

APP無線網絡系統(tǒng)：監(jiān)控攝像機只是一個獨立的個體，要對這些設備做好統(tǒng)一管理，對同一個品牌的智能設備可通過一個APP進行管理。手機可通過無線連接上APP，在手機上可看到監(jiān)控攝像機的圖像。因此，采用TCP/IP下的無線網絡來完成這項功能。無線AP網絡把計算機監(jiān)控數據和視頻圖像傳輸至移動終端APP上或指定網絡中的計算機。計算機可通過相應的軟件查看天車當時或之前的運行狀態(tài)，也可實時通過終端上的APP功能觀看。APP無線網絡系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

圖9 APP無線網絡系統(tǒng)示意圖

3 結論

(1)在保留原有功能的前提下，增加激光限位器與無線遙控器，不但節(jié)約人工成本，還可提高生產效率，加強了安全性，改善了操作人員工作環(huán)境。天車上安裝了微機安全、檢測、控制系統(tǒng)，便于擴展天車信息識別、安全監(jiān)測等功能，該系統(tǒng)擴展性強、操作簡單、信息化程度高。

(2)通過APP功能，天車自身狀態(tài)信息識別，天車系統(tǒng)自檢，具備檢查自身各控制信號、安防信號的作用。天車多向位置信息識別，能夠識別天車及吊鉤所在絕對位置；天車實時運行軌跡及累計，記錄天車的運動狀態(tài)、行程及累計軌跡時間；天車圍界安全視頻監(jiān)控，天車狀態(tài)信息無線傳輸、監(jiān)控及APP，通過無線傳輸天車相關信息狀態(tài)信號，可集中監(jiān)控，可實時聯接應用APP等功能。