王錦勝

(寧化行洛坑鎢礦有限公司，福建寧化 365400）

1 項目現(xiàn)狀

寧化行洛坑鎢礦采用露天開采方式， 設(shè)計規(guī)模為原礦處理量5 kt/d。 該礦采用溜井裝礦、平硐開拓有軌運輸和底側(cè)式卸礦等方式將原礦裝運并卸至選廠。 其生產(chǎn)工藝流程為:采場內(nèi)原礦由自卸汽車卸入溜井，溜井下設(shè)有帶控制閘門的重型振動給礦機(jī)，向有軌電機(jī)礦車給礦。 20 t 電機(jī)車雙機(jī)牽引10 m3底側(cè)卸礦車前往選廠，經(jīng)卸載曲軌卸入粗碎原礦倉。礦石裝載點和卸載點均僅有1 個， 列車運行距離2.27 km，運輸線路上共設(shè)置6 個換向道岔，運輸線路如圖1 所示。

有軌運輸配置有5 臺電機(jī)車，4 臺工作，1 臺備用。電機(jī)車為20 t 電阻調(diào)速式電機(jī)車，直流550 V 供電，氣動剎車，受電弓為現(xiàn)場手動升降。 有軌電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)建設(shè)前，該礦采用人工現(xiàn)場控制振動給礦機(jī)裝礦，人工駕駛有軌電機(jī)車至粗碎原礦倉卸礦。每臺電機(jī)車需配1 名電機(jī)車司機(jī)和1 名放礦工，通過相互配合完成電機(jī)車裝礦、行車、卸礦過程。 這種人工方式易造成裝礦效率低下及裝載異常等問題，且存在很大的安全隱患。

圖1 運輸線路及基站布置示意

基于上述問題，并結(jié)合相關(guān)工藝流程，該礦提出采用有軌電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、有軌電機(jī)車無人駕駛自動運行及全自動卸礦[1-2]等功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由地面遠(yuǎn)程遙控裝礦、電機(jī)車自動運行（ATO/ATP）、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、信集閉控制、自動卸礦、視頻監(jiān)控及控制中心等子系統(tǒng)組成：1）地面遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制操作臺（設(shè)置在控制中心)和裝礦站PLC 自動控制系統(tǒng)，結(jié)合裝礦區(qū)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 可實現(xiàn)控制中心通過操作臺遠(yuǎn)程放礦功能。2）電機(jī)車自動運行(ATO/ATP)系統(tǒng)用于監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制有軌電機(jī)車的運行狀態(tài)。 該系統(tǒng)硬件主要由車載控制單元、通信模塊、定位模塊、電源模塊及視頻攝像機(jī)等組成。 3）通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，集有線和無線多種通信方式于一體。其中，有線通信由千兆光纖工業(yè)環(huán)網(wǎng)組成，作為主干網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。 無線通信由Wi-Fi基站（AP）和車載通信模塊組成。 在電機(jī)車運行線路上布置基站（AP），實現(xiàn)運行線路Wi-Fi 信號全覆蓋；基站實時接收電機(jī)車自動運行單元（ATO/ATP）數(shù)據(jù)，最終通過主干網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。4）信集閉控制系統(tǒng)用于統(tǒng)一調(diào)度電機(jī)車運行路線和作業(yè)順序， 根據(jù)信號聯(lián)鎖規(guī)則，自動控制轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號燈的動作，同時可規(guī)劃電機(jī)車裝礦和卸礦溜井的目標(biāo)位置。 系統(tǒng)由操作臺和控制分站組成， 其中操作臺設(shè)置在控制中心，配置工業(yè)控制及管理計算機(jī)，用于對系統(tǒng)操作控制、實時數(shù)據(jù)存儲、查詢及報表管理打??；控制分站設(shè)置在轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號燈附近， 為PLC 自動控制系統(tǒng)。5）電機(jī)車采用底側(cè)式卸礦方式，操作人員只需控制電機(jī)車運行速度，勻速經(jīng)過卸載站，即可實現(xiàn)自動卸礦功能。在卸礦站設(shè)置料位監(jiān)測和視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)控原礦倉相關(guān)情況。6）在運輸線路重要區(qū)域、裝礦站、 卸礦站及電機(jī)車等處根據(jù)實際需要設(shè)置視頻攝像機(jī)，全程監(jiān)控電機(jī)車裝礦、行車、放礦過程。7）控制中心設(shè)置在卸礦站附近， 配置數(shù)據(jù)采集及存儲服務(wù)器、視頻存儲服務(wù)器、控制操作臺、自動調(diào)度操作臺、工業(yè)交換機(jī)和大屏顯示等設(shè)備， 實現(xiàn)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的存儲、處理、控制及顯示。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 有軌電機(jī)車無人駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

3 地面遠(yuǎn)程遙控裝礦系統(tǒng)

在裝礦站設(shè)置PLC自動控制系統(tǒng)1 套，將振動給礦機(jī)的電氣控制信號接入至PLC；在地面控制中心設(shè)置遠(yuǎn)程操作臺（含遠(yuǎn)程遙控放礦與遙控電機(jī)車多功能于一體）；放礦口處設(shè)置2 臺視頻攝像機(jī)。 裝礦PLC 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操作臺和視頻攝像機(jī)均通過以太網(wǎng)接入主干通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制中心上位機(jī)和裝載站下位機(jī)間的通信。

當(dāng)電機(jī)車駛?cè)胙b礦站時， 系統(tǒng)自動切換至裝礦站處視頻圖像，操作員通過遠(yuǎn)程觀察放礦視頻圖像，操作電機(jī)車及振動放礦機(jī)作業(yè)， 實現(xiàn)步進(jìn)對位→開啟放礦機(jī)→關(guān)閉放礦機(jī)→步進(jìn)對位操作工序， 保證遠(yuǎn)程控制連續(xù)裝礦，且裝礦高度不超過警戒線，實現(xiàn)安全、高效裝礦。

4 電機(jī)車自動運行系統(tǒng)

電機(jī)車自動運行系統(tǒng)包含整個運輸線路通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、無線信號覆蓋、轉(zhuǎn)轍機(jī)和信號燈控制、重要區(qū)域視頻監(jiān)控以及機(jī)車本體改造等內(nèi)容。

4.1 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺

通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺由主干網(wǎng)絡(luò)、無線Wi-Fi 基站和車載通信模塊組成。

1）主干網(wǎng)絡(luò)。在控制中心、硐口配電室及裝載站均設(shè)置1 臺千兆級工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)， 硐室內(nèi)交換機(jī)選用礦用本安型設(shè)備。 為保證網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠和穩(wěn)定性，采用環(huán)形方式構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)詳見圖2 所示。 系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)方式通過主干網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心。

2）無線Wi-Fi 基站。 為保證電機(jī)車自動運行安全，系統(tǒng)需要實現(xiàn)電機(jī)車精確定位，并保證車載通信模塊和基站之間的實時不間斷通信，所以無線信號需要無死角覆蓋整個運輸線路。 根據(jù)運輸線路的實際情況以及每臺基站覆蓋距離， 整個運輸線路共設(shè)置24 臺礦用本安基站，每個基站含2 h 備用電源模塊，布置示意圖詳見圖1 所示。無線基站接收電機(jī)車車載設(shè)備的各項信息，包括電機(jī)車車號、運行速度、運行方向、故障信息、各種運行狀態(tài)以及車載視頻圖像等?；就ㄟ^光纜接入主干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制中心和基站之間的通信。 為保證機(jī)車定位精度的進(jìn)一步提高，在關(guān)鍵點設(shè)置信標(biāo)器，用于特定點的車列位置標(biāo)定和行車?yán)锍绦拚?/p>

3）車載通信模塊。 為每臺電機(jī)均安裝1 套車載通信模塊，由工業(yè)級交換機(jī)和無線通信模塊組成，布置在電機(jī)車車頭處。 前端車載控制單元和車載視頻圖像接入工業(yè)級交換機(jī)， 通過無線通信模塊將相關(guān)車載數(shù)據(jù)實時傳輸至布置在運輸線路上的基站。

4.2 電機(jī)車自動運行（ATO/ATP）單元

行洛坑鎢礦電機(jī)車現(xiàn)采用串電阻調(diào)試方式，為實現(xiàn)電機(jī)車無人駕駛及遠(yuǎn)程遙控功能， 需要對機(jī)車本體改造。 改造內(nèi)容主要包括驅(qū)動電機(jī)改為斬波調(diào)速、受電弓改為氣動升降控制、增加機(jī)車速度檢測、ATO/ATP 自動駕駛保護(hù)裝置的更換。

驅(qū)動電機(jī)改為斬波調(diào)速方式后，牽引力增大，工作效率提高，從啟動到全速能實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，有效地保護(hù)了機(jī)車機(jī)械系統(tǒng)， 同時也保障了電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控的平穩(wěn)運行。 改造的機(jī)車可實時采集包括機(jī)車運行速度、運行方向、各種運行狀態(tài)等信息。

在機(jī)車內(nèi)增加定位模塊，與無線基站、信標(biāo)器配套使用能實現(xiàn)機(jī)車精準(zhǔn)定位。 在機(jī)車內(nèi)設(shè)置電源模塊，保證在停電情況下可再持續(xù)工作2 h。 在每臺電機(jī)車前后車頭分別安裝1 臺視頻攝像機(jī)， 實現(xiàn)機(jī)車運行過程中路況的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

無人駕駛電機(jī)車控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程遙控過程中，實時地對電機(jī)車自身控制系統(tǒng)開放自我保護(hù)功能[3]，包括機(jī)車本體運行狀態(tài)監(jiān)控， 實時檢測數(shù)據(jù)是否異常（電機(jī)車氣缸內(nèi)供氣壓力、控制電源、通信故障及車輛失控等），判斷道岔是否滿足行車條件以及防止車輛之間發(fā)生碰撞等[4]。 同時，需要對受電弓等所有硬件設(shè)備遠(yuǎn)程遙控，防止人為誤操作造成設(shè)備損壞。

為了便于操作人員遠(yuǎn)程操控電機(jī)車， 機(jī)車運行設(shè)置定速巡航、裝礦定速巡航、裝礦自動對車、自動運行、受電弓自動升降等多種模式。

4.3 信集閉控制

信集閉控制實現(xiàn)3 種控制模式（閉鎖控制、半閉鎖控制、解鎖控制）。 閉鎖控制通過派配礦系統(tǒng)指令對電動轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號燈實現(xiàn)自動控制，為正常生產(chǎn)使用模式；半閉鎖控制即人工派車，下發(fā)派車指令后系統(tǒng)自動控制轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號燈， 供臨時調(diào)整作業(yè)計劃使用；解鎖控制，即全系統(tǒng)手動運行，操作人員現(xiàn)場控制轉(zhuǎn)轍機(jī)與信號燈，供檢修等特殊情況使用。

系統(tǒng)由操作臺和控制分站組成。 運輸線路上共用6 個換向道岔，相應(yīng)配置6 套控制分站。地面控制中心的操作臺全程跟蹤運輸列車運行，實時檢測電機(jī)車的實際位置；控制分站控制開放信號，轉(zhuǎn)動道岔，檢測進(jìn)路。 當(dāng)控制分站、道岔或傳感器等設(shè)備發(fā)生本體或通信故障時， 相關(guān)信號顯示應(yīng)自動轉(zhuǎn)為關(guān)閉信號或約定警示信號，確保轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)的主動控制以及電機(jī)車的安全運行。 操作臺能夠?qū)崟r顯示列車在運輸巷道位置、列車序號、車速及信號燈、道岔和軌道占用情況，自動記錄運行過程數(shù)據(jù)，生成管理報表。

5 全自動卸礦系統(tǒng)

電機(jī)車駛?cè)胄遁d站前， 控制中心操作人員控制電機(jī)車運行速度， 保證電機(jī)車勻速經(jīng)過卸載站的曲軌卸礦裝置，完成自動卸礦流程。在卸礦站的原礦倉安裝雷達(dá)料位計，實時監(jiān)測原礦倉料位，防止原礦倉內(nèi)礦物排空或溢出，同時結(jié)合卸礦站處視頻攝像機(jī)，實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程卸礦監(jiān)控。

6 控制中心

控制中心包括調(diào)度系統(tǒng)臺、操作控制臺、視頻顯示終端、服務(wù)器系統(tǒng)等設(shè)備，如圖3 所示。

圖3 控制中心實際情況

1）調(diào)度系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)組成，實現(xiàn)所有運行狀態(tài)信息的顯示。 操作人員能夠通過上位畫面實現(xiàn)對系統(tǒng)所有設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。

2）電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控與遠(yuǎn)程放礦通過操作控制臺實現(xiàn)。其內(nèi)配置了控制單元，用于采集操作臺內(nèi)所有開關(guān)以及手柄的信息，并將操作指令上傳，實現(xiàn)各項控制功能。 工控機(jī)編寫上位畫面，顯示電機(jī)車、放礦機(jī)的運行數(shù)據(jù)、 報警信息等所有數(shù)據(jù)。 通過上位畫面，實現(xiàn)電機(jī)車遠(yuǎn)程遙控與遠(yuǎn)程放礦。

3） 視頻顯示終端包括在操作控制臺上配2 臺顯示屏和1 個操作面板以及1 套LCD 拼接屏。 顯示屏與視頻監(jiān)控系統(tǒng)和裝礦控制上位監(jiān)控畫面相連，操作面板與自動控制系統(tǒng)相連。 操作人員可切換調(diào)出查看系統(tǒng)所有視頻圖像。

4）服務(wù)器包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工控服務(wù)器以及視頻服務(wù)器， 實時記錄并存儲整個系統(tǒng)運行過程中所有關(guān)鍵參數(shù)以及視頻信息。 工控服務(wù)器能夠訪問井下所有控制器，保證實時數(shù)據(jù)交換。

7 結(jié)語

目前，該系統(tǒng)已建設(shè)完成，并投入正常使用1年。對照系統(tǒng)設(shè)置前后，各項數(shù)據(jù)基本都得到了改善，操作班組定崗人員系統(tǒng)建設(shè)前需要5 人，系統(tǒng)建設(shè)后只需3 人；放礦操作時間原需16.5 min，現(xiàn)需要17 min；運輸操作時間原需28 min，現(xiàn)需要17 min；卸礦操作時間2.5 min 不變；每趟車組平均運輸能力原為165 t，現(xiàn)為150 t；每趟車組最大運輸能力原為170 t，現(xiàn)為 165 t；每天平均運輸能力（3 班）原為 5 280 t，現(xiàn)為 5 700 t；每天最大運輸能力（3 班）原為 5 440 t，現(xiàn)為6 270 t。 由上述數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)在保證產(chǎn)能的同時，可有效優(yōu)化人員配置，改善作業(yè)人員工作環(huán)境。 提升生產(chǎn)安全水平。