王建明

(山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心，山西 太原 030000)

0 引 言

有軌運輸機車是各類礦山井下的重要運輸設備，具有不可替代的作用。目前，多數(shù)礦山井下有軌運輸電機車控制仍然采用人工手動控制的方式，工作人員必須時刻現(xiàn)場進行監(jiān)督操控，同時需要一定數(shù)量的工作人員相互配合才能完成裝卸過程。這種控制方式存在很多問題：井下工作人員密度大，工作環(huán)境復雜、勞動強度大，工作時間需要倒班、危險性高，容易引發(fā)安全事故，影響了礦井的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量[1]。針對運輸機車存在的上述問題，筆者設計了一套基于PLC控制器的自動化控制系統(tǒng)，集傳感檢測技術、無線通信技術、RFID射頻識別技術、變頻調(diào)速技術、視頻監(jiān)控技術、上位機監(jiān)控技術于一體，實現(xiàn)了對運輸機車全方位、全生命周期的動態(tài)監(jiān)控、監(jiān)管，提高了機車的運輸效率和自動化水平，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 礦井運輸機車自動化控制系統(tǒng)總體架構

設計的礦井運輸機車自動化控制系統(tǒng)總體架構如圖1所示。整個控制系統(tǒng)由遠程監(jiān)控中心、工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)+WIFI無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、電機車車載監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)、帶有射頻卡的機車軌道等組成。

圖1 礦井有軌運輸電機車自動化控制系統(tǒng)總體架構

其中，遠程監(jiān)控中心由高級別的工控機及兩臺服務器組成，負責對運輸機車的運行狀態(tài)和井下環(huán)境進行全方位在線監(jiān)測，同時根據(jù)反饋結果發(fā)布控制和調(diào)度指令；通信系統(tǒng)由工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)、多臺網(wǎng)絡交換機、WIFI無線基站及WIFI信號接收設備組成，實現(xiàn)井下設備的雙向無線通信；電機車車載監(jiān)控系統(tǒng)由礦用機車、PLC主控制器、WIFI無線收發(fā)設備、傳感器檢測單元、制動系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、RFID讀卡器等組成，可對電機車進行狀態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測信息上傳給監(jiān)控中心，同時根據(jù)監(jiān)測結果可對機車實現(xiàn)變頻調(diào)速控制；機車軌道隔一定距離布設射頻卡，與RFID讀卡器對接；視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)采用成套設備直接接入所設計系統(tǒng)中[2]。通過以上設計，運輸機車控制系統(tǒng)可根據(jù)視頻監(jiān)控信息、傳感器檢測信息、RFID識別信息獲得自身位置信息、速度信息及運行狀態(tài)，并自動調(diào)控自身運行方式、運行位置，實現(xiàn)運輸機車的自動化裝卸礦。

2 控制系統(tǒng)硬件方案設計與設備選型

2.1 PLC主控制器選型

電機車車載監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC作為車載主控制器。PLC作為專業(yè)的計算機控制設備，因其抗震能力強、可靠性高、電磁兼容性強，被廣泛應用于工業(yè)和煤礦領域[3]。本文采用的PLC控制器具體型號為三菱FX1N，作為核心設備，PLC的功能分為以下三點：①負責采集運輸電機車的狀態(tài)信息，包括電機車的速度、位置信息，電機車的制動狀態(tài)，變頻器的電壓電流、頻率信息，通訊設備的工作狀態(tài)等；②負責實現(xiàn)電機車的啟停、變頻調(diào)速等；③實現(xiàn)故障預警功能。

2.2 傳感器檢測單元設計

傳感器檢測單元由多個不同功能的傳感器組成，包括紅外線傳感器、雷達成像傳感器、聲音傳感器、輪軸脈沖轉速傳感器等，負責對機車的速度、位置進行精準監(jiān)測。

2.3 變頻器調(diào)速單元設計

系統(tǒng)變頻器采用ABB公司的ACS880系列的ACS880-01-293A-3產(chǎn)品，配合交流異步電機，對電機車進行調(diào)速控制，包括實現(xiàn)電機車的啟停、加減速、前進與后退，同時配合制動系統(tǒng)實現(xiàn)平穩(wěn)剎車。變頻器采用全數(shù)字矢量控制方式，并通過空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(SVPWM)實現(xiàn)。

2.4 無線通信系統(tǒng)設計

無線通信系統(tǒng)以工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)為主干網(wǎng)絡，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、溜井遠程裝礦系統(tǒng)、主溜井自動卸礦系統(tǒng)通過交換機接入光纖環(huán)網(wǎng)。為實現(xiàn)無線WiFi信號在礦井下的覆蓋，在巷道頂安裝了WIFI基站，同時在電機車車頭上方安裝WIFI收發(fā)設備，實現(xiàn)了信息的雙向互通。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用網(wǎng)絡紅外攝像機，在電機車車頭前方、裝礦區(qū)域、卸礦區(qū)域、電機車受電弓、牽引變電所等地點皆設置視頻監(jiān)控，實現(xiàn)井下全方位無工作死角的視頻監(jiān)控和信息聯(lián)動，同時，監(jiān)控視頻將進行存儲，便于后期進行回看[1]。

2.6 RFID射頻識別系統(tǒng)設計

RFID射頻識別系統(tǒng)由RFID識別器和RFID定位標簽組成。其中，RFID識別器安裝在電機車上，置于防爆箱內(nèi)部，天線則引出置于機車固定位置，RFID定位標簽安裝在軌道上，為確保區(qū)間定位的可靠性，RFID標簽每個位置使用兩套標簽。由于識別器需要對來自射頻卡的載波信號進行解調(diào)，所以要求讀卡器的內(nèi)部封裝有接收調(diào)制器，從而選用射頻芯片S6700。射頻卡選用疏耦合的無源射頻卡，它與讀卡器之間的通信協(xié)議采用ISO15693標準。

3 系統(tǒng)軟件方案設計

3.1 下位機程序設計

采用了三菱PLC主控制器，故使用GX Developer編程軟件進行下位機程序編寫，采用梯形圖的編程語言。下位機程序由主程序及多個子程序構成，當執(zhí)行某個功能時，由主程序?qū)嵭姓{(diào)用。子程序包括傳感器檢測程序、變頻調(diào)速程序、無線通信傳輸程序、聲光報警程序、電機車制動程序、RFID射頻識別程序等。如圖2所示為系統(tǒng)進行機車運行位置定位的RFID射頻識別程序框圖。

圖2 RFID射頻識別程序框圖

3.2 上位機監(jiān)控平臺設計

采用組態(tài)王kingview6.53軟件開發(fā)了運輸機車自動化控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控平臺，該組態(tài)軟件適應性強、開放性好、易于擴展、開發(fā)周期短。上位機監(jiān)控平臺分為三大模塊：用戶信息設置模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲模塊、運輸調(diào)度指揮模塊。具體模塊功能分布結構圖如圖3所示。

圖3 上位機監(jiān)控平臺功能分布結構圖

通過上位機監(jiān)控平臺，將系統(tǒng)劃分為管理層、監(jiān)控層、控制層三個層次結構，其中監(jiān)控層是核心層，不僅實現(xiàn)了對現(xiàn)場電機車的實時狀態(tài)監(jiān)測與調(diào)度控制，而且在自動化控制系統(tǒng)中完成信息上傳下達的作用。該平臺提供了可視化監(jiān)控畫面，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對接，實時顯示井下的工作場景；電機車的運行位置、倉位高度也將以動畫方式實現(xiàn)顯示；同時平臺具有報警功能、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線、數(shù)據(jù)存儲等功能[3]。

4 應用效果

電機車自動化控制系統(tǒng)投入試用，通過對RFID射頻識別技術的應用，定位精度可在10 m以內(nèi)，實現(xiàn)了機車的精準定位，同時可在地面調(diào)度中心實時同步顯示，位置顯示刷新頻率為5 s/次；另外，電機車的運行速度、運行方向、前后車間距等狀態(tài)信息也會實時顯示，為工作人員提供了調(diào)度參考數(shù)據(jù)，當行人距離機車行駛方向25～30 m時，控制系統(tǒng)便會發(fā)出警報，提醒行人以及工作人員，電機車自動化控制系統(tǒng)達到了預期的優(yōu)化效果。

5 結 語

傳統(tǒng)人工手動調(diào)度的電機車運輸系統(tǒng)存在很多缺陷與不足，為礦產(chǎn)的開采和運輸帶來了很多困擾。本文以此為出發(fā)點設計了一套集調(diào)度、智能監(jiān)測、無線通信、自動控制四位一體的有軌運輸機車自動化控制系統(tǒng)。借助井下監(jiān)測設備對運輸機車全方位的智能監(jiān)測，實現(xiàn)了機車的精準定位，定位精度在10 m以內(nèi)，同時對每輛機車的運行狀態(tài)實現(xiàn)了監(jiān)測，可使工作人員遠程對其進行調(diào)度控制。該系統(tǒng)投入使用后，大大提高了電機車運輸系統(tǒng)的自動化水平，達到了數(shù)字化礦山建設的目標。