黃元葉

（宜春鉭鈮礦有限公司，江西宜春 336000）

0 引言

目前我國尚無成熟的遠距離遙控井下電力機車的先例。礦井電機車全部由現(xiàn)場手動駕駛，作業(yè)方式為：裝礦時，每輛電瓶車都要跟著一名放礦員在放礦時對車；放礦等作業(yè)要求礦工與機車司機之間的持續(xù)信息交流。配合、二次對車容易造成人為效率降低、裝載異常，存在安全隱患。瑞典基律納地下鐵公司在20 世紀70 年代就著手開發(fā)無線遙控電力機車和無線通信技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對無線遙控列車的遠程控制。如今，其主干道級別已經(jīng)降到了-1045 m，也是首次使用無人駕駛水平軌道，其主要功能是在列車行駛時，實現(xiàn)自動駕駛，到達裝礦點位后，由主控室內(nèi)遙控。

1 工程概述

某礦區(qū)階段采掘范圍為-330 m。一期礦山生產(chǎn)能力為320萬噸/年，年產(chǎn)礦石25 萬噸。采區(qū)共有13 口礦巖溜井，-180 m 以上采區(qū)礦巖經(jīng)溜井至-180 m，-180 m 段為環(huán)形輸送，4 條穿脈段用有軌運輸法將13 條礦巖溜井送至主溜井，為下段粉碎和提升系統(tǒng)作好原料。采場礦巖運輸：20 t 電力機車從主井車場拉起10 m 的下側(cè)卸礦車，通過石門的車行；上盤巷；運輸巷、經(jīng)脈、穿脈、裝礦，裝上礦石后，沿穿脈、下盤運輸巷、車場石門、主井車場的卸貨。因受現(xiàn)場環(huán)境及裝備等因素的制約，在整個交通等級上，電機車滑線斷點達16 條，因此，在斷電時，需要采用手動方式降落。在礦井溜井的下部，利用振動式放礦器，把溜井液中的礦料裝進10 m3的底部卸料小車，最大溜距為800 mm。本裝置使用XLZ 型滑井振動放礦器，2 塊平板并聯(lián)，向礦車中裝載礦石，每輛礦車進行2 次對位放礦。-180 m 分段式交通系統(tǒng)的窄軌采用900 mm 的軌距和43 kg/m 的軌距。列車運行3 列，每一列牽引8臺10 m 長的底部側(cè)卸式礦車，4 輛20 t 的電力機車，3 輛運行，1輛待命，10 m 下側(cè)卸式采煤機24 個，備用8 個，4 輛電力機車全部由ZKT-2×200/550 型的IGBT 斬波調(diào)節(jié)器進行，由人工手動控制，電機車前制動為腳踏式氣壓制動器，電動弓架為手動起重[2]。

2 井下電機車地面遠程遙控技術(shù)

該系統(tǒng)是一套完整的礦井電力機車運輸系統(tǒng)，包括數(shù)字派配礦、控礦控制。風控操作：各種安全防護功能的自動卸載和操作。通過一個統(tǒng)一的平臺，對運輸系統(tǒng)進行有效的分析和決策，建立起一個整體的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)了運輸系統(tǒng)的有效運行。主要技術(shù)：一是將機械、電氣、自動化控制、計算機、有線通信、無線通信等技術(shù)結(jié)合起來，在全國率先實現(xiàn)了對礦電機車的地面控制。二是利用電聯(lián)回路控制、受電信號自動提升控制等技術(shù)，對常規(guī)的斬波調(diào)速井下電力機車進行技術(shù)改造，使礦井運輸系統(tǒng)實現(xiàn)自動化。三是在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運行的前提下，解決了地下礦井無線通信覆蓋、大容量、實時交叉等技術(shù)難題。第一階段的采場配礦，是指由采場進路上的鏟運車出礦，然后將其倒出到采場的溜井。依據(jù)地質(zhì)模型，依據(jù)放礦橢球原理，建立了相應(yīng)的數(shù)學模型，并對各鏟的各項參數(shù)進行了計算。二次主溜井配礦，是指用電機車從各個溜井中把礦石裝入到主溜井的配礦工藝。根據(jù)一次開采的成果，從產(chǎn)出、質(zhì)量、安全、狀態(tài)、時間等方面，通過建立數(shù)學模型，對各個溜井的放礦次序、放礦量進行控制，以確保出礦平衡、穩(wěn)定。根據(jù)二次配礦計劃的生產(chǎn)進度，在破碎作業(yè)區(qū)調(diào)度操縱“信集閉”的控制系統(tǒng)，并對機車的作業(yè)區(qū)段及裝礦點進行指令。遠距離遙控電機車按照“信集閉”的運行路線及指示，完成主要運輸作業(yè)。

3 井下電機車地面遠程遙控系統(tǒng)組成

3.1 派配礦單元

煤礦下窄軌信集中控制系統(tǒng)的主、分站均位于煤礦地下交通系統(tǒng)，主分站設(shè)置在地下交通系統(tǒng)，地面主控室設(shè)有作業(yè)平臺，地下運輸層采用無線通信，井下輸送層采用地下通信。100 M網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由1 臺位于地面中心機房的主開關(guān)及1 臺地下傳輸級網(wǎng)路分交換機組成，不間斷電源系統(tǒng)位于中心機房，井下電力機車及井下交通水平網(wǎng)路分交換機各1 臺，在井下輸送水平溜井處設(shè)置了溜井遙控裝礦裝置，在井下輸送的水平溜井上，在井下輸送水平溜井裝礦點位上安裝了溜井遙控裝礦視頻監(jiān)測系統(tǒng)，井下窄軌信號的集中和閉合控制。溜井遙控裝礦系統(tǒng)與地面中央機房的主交換機通過100 M 網(wǎng)絡(luò)相連，電力機車的自動防護系統(tǒng)提供安全防護，與地下電力機車進行通信，并與地面中心計算機的主交換機連接，形成完整的通信網(wǎng)路，可進行實時的數(shù)據(jù)采集、判斷、分析、控制、執(zhí)行、顯示和存儲。溜井遠程裝礦視頻監(jiān)測系統(tǒng)是通過專用的光纖網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場的實時圖像傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺上，以達到監(jiān)測煤礦生產(chǎn)的目的[3]。

3.2 機車單元

該礦的電力機車輸送系統(tǒng)共有4 部20 t 電力機車，其中3部運行、1 部待機。主控室操作員在電腦上操作，確定要控制的電力機車，一臺電力機車只能由一個控制臺來選擇，這時，控制臺與實際控制的裝置建立了聯(lián)系，它發(fā)出的命令僅控制選定應(yīng)答的受控目標。本模塊是對電力機車的各項操作及生產(chǎn)報告進行統(tǒng)計，對電力機車的查詢、故障信息等進行實時顯示。

3.3 運行單元

地面遙控操作員利用電腦系統(tǒng)，將載重命令發(fā)送到破碎作業(yè)調(diào)度，由調(diào)度員按照作業(yè)進度，操縱"信集閉"自動控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)電力機車的運行軌跡及可啟動時間，對井下道岔和信號燈進行自動控制，由地面操作員依據(jù)自身的機車位置及“信集閉”系統(tǒng)發(fā)出的信號，遠程遙控機車至指定的裝礦溜井[4]。

3.4 通信單元

基于TCP/IP 協(xié)議，以工業(yè)Ethernet 為骨干，采用Wi-Fi 技術(shù)，在礦井下設(shè)置幾個Wi-Fi 基站，構(gòu)成了1 個由主干和1 個無線基站組成的棒狀網(wǎng)絡(luò)，對整個礦井進行無線信號覆蓋，并在電機車上安裝Wi-Fi 通信終端，在控制室內(nèi)實現(xiàn)遠程遙測。通信系統(tǒng)采用一體化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如工業(yè)交換機、無線基站、車載終端、電源設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)管理軟件等。整個通信系統(tǒng)分為兩大部分：①管理部分，通過監(jiān)視器，實現(xiàn)通信過程的實時監(jiān)測與管理，包括主機、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、供電設(shè)備等，軟件具有網(wǎng)絡(luò)配置、監(jiān)控、通信故障診斷、定位和報警功能，以滿足網(wǎng)絡(luò)管理的特定需求[5]；②資料傳送部分，數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)包括工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場電源、無線通信基站、車載數(shù)據(jù)終端等。無線基站通過有線接入工業(yè)以太網(wǎng)，并可以根據(jù)礦井的布置和礦井的位置，靈活地選擇網(wǎng)絡(luò)，達到對礦井主巷的Wi-Fi 覆蓋。井下裝置采用開關(guān)接口接入以太網(wǎng)，通過在井下安裝現(xiàn)場操作臺，實現(xiàn)了對井下設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的實時控制和配置查詢。該系統(tǒng)分為上下兩部分，地面控制室配備了網(wǎng)絡(luò)管理計算機，核心交換機，U1’S 供電。礦井部分按實際情況設(shè)置了幾個工業(yè)開關(guān)、無線通信基站、電源箱，每臺電源箱為1臺基站供電。該系統(tǒng)采用了方位天線和全向天線的組合，在直向基站中，利用2 個倒置的定向天線，向前、后2 個方位接收和接收無線電信號，在實際構(gòu)建中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的強度，調(diào)整節(jié)點的位置、天線類型、方向和數(shù)目，以達到覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)的目的。

3.5 裝礦單元

電力機車按照指示開往指定的采場，由主控室的操作員在電腦的操作下，選定所要控制的滑井裝礦設(shè)備（這是唯一的選項，也就是每個滑井的2 臺振動采礦機都可以由1 個操作臺來選擇），這時，控制工作臺的操作與被控制裝置建立了聯(lián)系，它發(fā)出的命令僅對選定的受控目標進行控制。采用-180 m 水平1#變電站的PLC 自動控制系統(tǒng)，在每1 條線路上安裝了自動控制子站，并與各溜井的振動放礦機進行了連接與控制，并對13 臺振動放礦機進行了自動控制。對13 臺振動放礦機，26 臺電機進行了電氣改造，實現(xiàn)了遠距離自動控制，利用PLC 實現(xiàn)了對采煤機的數(shù)據(jù)采集，并利用已有的自動化光纜與主控室進行雙向通信，在地面操作臺上選定了溜井放礦機，并與所選放礦機建立了聯(lián)系，從而實現(xiàn)了主控室對選定放礦機的控制。在確定了溜井放礦機之后，要按照選定的溜井編號，切換控制臺的監(jiān)控屏幕，將13 個溜井的放礦機安裝在一起，并與主控室的裝礦控制臺相連。主控室操作員通過監(jiān)控視頻，在控制臺上安裝了一個控制手柄，實現(xiàn)了對采礦機振動放礦和電機車的遙控定位，在溜井施工現(xiàn)場設(shè)置參考標志，方便地面上的視頻觀測，以確保在裝礦時能裝滿，不出現(xiàn)超高漏礦等。每一溜井振動放礦機均設(shè)有A、B 兩臺電機，采用控制選項，可使2 臺電機或1 臺單機同時工作，設(shè)置礦石停止控制鍵以避免錯誤操作，放礦作業(yè)中的突發(fā)事件處置：將放礦機的主電源控制與自動控制系統(tǒng)相連接，以保證處理突發(fā)事故。如果放礦機系統(tǒng)發(fā)生故障，不能停止放礦機的放礦，則可由操作平臺的控制開關(guān)關(guān)閉主電源，確保放礦機的安全。當主控臺和井下自動控制系統(tǒng)發(fā)生通信故障時，該放礦機的主電源會立刻切斷，以確保安全，鑰匙開關(guān)帶鎖，以避免非操作者的誤操作[6]。

3.6 卸礦單元

當遠程裝卸作業(yè)結(jié)束后，地面遙控操作員將命令發(fā)送到破碎作業(yè)調(diào)度，調(diào)度會根據(jù)作業(yè)安排，有選擇地將物料送到卸料場，而碎料調(diào)度則利用“信集閉”的綜合協(xié)調(diào)與指揮功能，對電力機車的行駛路線和啟動時間進行控制，并將命令從裝料站開到卸貨站。機車遙控員按照系統(tǒng)的指示，操縱電力機車進入卸料站，利用控制車速，確保機車平穩(wěn)地通過彎軌卸料設(shè)備，實現(xiàn)了自動卸料和卸料自動化清理。

4 結(jié)語

通過在主控制室進行遠程控制，對電力機車的各種運行命令進行實時監(jiān)控，并對發(fā)生的故障進行判別，進行聲響、光電告警，完善自動運行保護，實現(xiàn)以區(qū)間標定速度，遙控電力機車從卸載點至裝載點往返的全過程操作，通過遙控采礦放礦機，以標稱裝載能力為基礎(chǔ)，實現(xiàn)遠程遙控采礦作業(yè)，使井下礦工、機車司機等人員的作業(yè)從井底向地面轉(zhuǎn)移，簡化作業(yè)，提高了作業(yè)質(zhì)量。