上海能源大屯煤电公司 江苏徐州 221611
摘要：本文介绍了以集散式工控网络为核心的煤矿井下轨道机车运输安全监控和自动调度系统，它依靠安装在机车上的车载机采集车速、车矿等信息，由车载AP通过由WIFI无线网络、工业环网传送到运输调度中心，在图形显示设备上以模拟图形式显示出来，供调度人员掌握。并且依靠计算机强大的记忆、判断和运算能力，将司机（或调度人员）的调度意图分解为具体的控制指令，控制执行设备完成道岔位置与进路信号开放等调度动作，从而达到保障运输安全、提高运输效率和减人增效的目的。
关键字：煤矿轨道运输；安全监控；自动调度；自动控制；减人增效
姚桥煤矿现有两个运输水平，-400水平和-650水平，-400水平运输巷道总长约10000米，正常运行机车8台；-650水平运输巷道总长约5000米，正常运行机车6台，承担着全矿人员、物料、支架等大件设备的运输，环境复杂、工作较为繁重。随着2016版《煤矿安全规程》的颁布实施以及智慧化矿山建设的发展需求，对井下轨道运输监控系统提出了更高的要求。因此，根据姚桥煤矿轨道运输生产现状，急需设计一套适合姚桥矿轨道运输生产需求的运输监控系统。
轨道运输监控系统是以集散式工控网络为核心的机车运输安全监控和自动调度系统，它依靠安装在机车上的车载机采集车速、车矿等信息，由车载AP通过由WIFI无线网络、工业环网传送到运输调度中心，在图形显示设备上以模拟图形式显示出来，供调度人员掌握。并且依靠计算机记忆、判断和运算能力，将司机的调度意图分解为具体的控制指令，控制执行设备完成道岔位置与进路信号开放等调度动作，从而达到保障运输安全、提高运输效率和减人增效的目的。
系统所用的工控网络是多层总线、星型混合结构的二级网络，主控调度室采用研华系列工控机（井下配置隔爆计算机）；主控室工控机通过矿工业环网与井下控制分站实现数据交换；控制分站直接管理传感设备和执行设备，每台控制分站都配有电源箱提供工作电源。车载通信控制器采集车速度、机车位置信息，通过井下现有的WIFI无线网络与主控系统之间进行通讯，按照设备位置分布，系统可以分为四个部分。
本系统根据现场实际需求，在井下和地面分别设置主控机，以供调度员监测井下运输车辆的运行状态，监视系统各设备的工作状况。系统主机根据司机的运行请求，自动发布道岔转动、信号机模式转换、弯道报警、超速报警、闯红灯报警、追尾报警等命令，是指挥车辆运行的中心。它主要由主控机、管理机、交换机等设备组成。同时，根据姚桥矿的实际需求，在井下调度室配置一台隔爆计算机作为监测主机，在地面配置一台工控机作为调度服务器使用。
作为现场智能设备，控制分站通过RS485总线通讯方式管理现场各种检测、执行设备，保证其可靠工作，并执行调度服务器下发的各项命令，汇报各种监控信息。控制分站的工作电源由隔爆兼本安型稳压电源提供。
读卡分站、信标等检测设备用来收集车辆的运行信息；转辙机（含控制箱）、信号机等执行设备扳动道岔并给出行车信号；车载通信控制器用来申请运行计划、显示交通状况、采集车况、发出声光报警及无线信号上传等。
电源电缆为设备提供工作电源，通信光缆用于控制分站之间以及控制分站与交换机之间的通信。同时，无线网络为基站与车载机之间的信息传输提供通道。
图1 煤矿轨道运输监控系统构架图
1.控制分站与控制分站之间通过光纤级联后接入环网交换机，同时，为保障光网络的可靠性，将每一个基站按环网结构进行连接。
2.控制分站通过RS485总线方式与测控设备信号机、读卡分站、转辙机控制箱（驱动转辙机用）、声光报警器等进行通讯。
3.主控系统与车载机之间通过矿井现有的WIFI网络实现车地通讯，用以上传移动视频、车速、车况（机车提供），下发调度信息、超速、闯红灯、防追尾等报警指令。
4.读卡分站读取无源标签信息，实现对车辆的绝对位置校正。
5.固定点网络视频摄像仪通过光缆接入网络交换机，由布置在井下调度室的矿用网络硬盘录像机进行存储、管理和显示。
6.实现将人车场两端的阻车器改造纳入信集闭系统进行联锁控制。
1.机车上的车载机采集速度传感器测量的机车运行速度，推算车辆位置，并读取轨道上安装的已经标定过的信标对推算的车辆位置进行修正，实现车辆的精确定位。
2.在调度计算机和车载机液晶屏上对所监控的车辆进行精确位置显示，定位精度≦5米。
1.在调度室计算机监控界面上显示各列车位置、车号、速度、运行方向及信号机状态、道岔位置和区段占用等运行状态信息。
2.在调度室监控界面上点击摄像机图标，可以显示指定点的视频图像。
3.调度监控主机可以为有人或无人值守，其调度界面可供远程浏览。有人值守时，具备调度员调度操作功能；无人值守时，由司机自主调度。
系统具备区间联锁、敌对进路闭锁、信号机和转辙机联锁等“信集闭”功能。信号灯显示器亮度高，可视距离远。道岔和信号灯之间具有联锁关系，在提高运输效率的同时提高了安全性。
即根据司机操作请求，系统自动下发进路开放指令，指挥车辆运行。主要有以下两种情况。
1.管理人员通过调度台向各机车下发调度指令，司机按照车载机接收到的调度计划或指令，选择确认，系统自动指挥机车安全运行。
2.司机接受管理人员通过其它方式（如电话安排）下达的调度指令,通过车载机发出调度请求，系统按照司机的请求，下发信号指挥机车安全运行。
车载机配置不小于10寸液晶屏，屏上以地图的形式展现运输全景，可缩放、拖移、跟随车辆位置，可显示车况、交通状况（显示倒车影像，本车的定位信息及局部范围内的其他车辆的定位信息、进路开放情况）。车载机具有操作功能界面。可以实时上传车号、车类、车速、调度请求;可以司控道岔。
可以实时接收监控计算机的报警指令，实现超速报警、丢车皮报警、闯红灯报警功能和防追尾报警（语音声光报警）。
在管理计算机上生成机车运行的有关数据信息。如闯红灯和超速的车号、时间、地点等信息，并可图表统计查询、打印，并可生成、打印机车运行图。
管理计算机系统能全天候24小时实时记录运行情况，根据运行过程历史数据，在显示终端上按任意速度重现指定时间内的实际运输过程，为分析事故原因、改进调度策略提供依据，记录存储时间不少于1年。
系统在监控计算机界面上实时反映系统内每一台设备的工作状态，自动诊断故障的性质、位置，并完成报警。
系统通过管理计算机方便融入自动化集中控制信息平台，可直接采用IE浏览器浏览本系统的监控画面。
在装卸载站、关键道岔处设置一定数量的矿用摄像仪，通过工业环网上传操作台，便于调度掌握车辆运输现场情况，同时给运输事故分析带来可靠依据。在电机车的两头各安装一台车载摄像仪，记录行车沿途的现场图象信息，并具有倒车影像功能。车载视频图像一方面在车载机上就地显示，另一方面通过车载机上传调度站。
阻车器接入：将人车场两端阻车器纳入系统联锁控制，阻车器由矿方自备。
转辙机接入：根据需要将转辙机接入系统,纳入系统统一监控。
弯道报警功能：接入弯道语音声光报警器，实现弯道预警功能，保障车辆和行人的安全。
由于系统在设计采用的是DCS控制方式，积木式搭建，规模可大可小，能很方便的对系统进行二次扩展。软件为数据基结构，即程序与反映系统结构的数据分离，使程序具有通用性，用户能方便的自行对系统进行扩充、改造、能适应运输线路的不断变化。
系统具有转辙机关联传感器实时检测过车拒动功能。即在道岔附近有车通过时，计算机可发出信号使道岔位置闭锁，道岔闭锁后，本机、远地及司机控制均失去作用，直至计算机解锁为止。
接入岔位指示器，可直观清晰的指示道岔岔尖方向。系统可以挂接矿方现有的弯道语音声光报警器，实现弯道预警功能，保障车辆和行人的安全。
姚桥煤矿-400和-650已覆盖WIFI网络，并有较为完善的千兆工业以太环网。WIFI网络遵循802.11b/g协议，可以满足数据、语音和图像的传输。
设置调度服务计算机，负责井下机车调度指挥，通过液晶屏幕显示井下电机车调度情况，同时配备管理计算机以实现对实时数据的储存、重演以及WEB发布的功能、手机浏览功能。主要设备有主控计算机、液晶大屏、管理计算机、打印机、交换机、UPS电源等。
地面设研华主控机1台，采用Windows 操作界面，界面友好，操作方便；井下基站信息通过光缆上传至调度室，通过光电转换器、交换机，将信号送入主控计算机。主控机经过联锁运算后，下发控制信号。
井下设隔爆计算机2台，支持千兆网络电口、USB、RS232/422/485，不低于22寸液晶显示屏。工作电源：AC127V。该机与地面主控机可互为主备。
设置管理计算机1台，硬盘中安装同样软件，可作为主控计算机的备机，通过密码登录客户端软件能实现和服务器一样的监视和控制功能。可以备份运行数据，生成各种统计报表；系统管理员可随时调用记录重演数据进行演示，使事故分析一目了然；通过管理计算机可随时对现场所有设备进行监测，可在不影响系统工作的情况下进行设备维护工作；通过管理机可将系统数据上传用户局域网，以实现信息共享。
系统与软件包括上位机联锁软件包、图形软件包、模拟软件包、重演软件包、管理软件包、远程浏览软件包。
井下现场设备共有控制站、稳压电源、信号机、转辙机控制箱、车载通信控制器、无源信标等。系统各设备之间是层次结构，设备编号自上而下规律性强，管理维护简单。
井下控制分站在轨道运输监控系统中作为井下现场计算机智能工作站使用，该控制分站也可用于其它集散式计算机工业控制系统。
（1）控制分站在系统中处于集散式计算机控制网络的最基层，它通过稳压电源获得工作电源，并通过通讯线路和上级站交换信息，通过测控点电缆驱动各测控设备工作。
（2）控制分站具需满足输入检测和输出测控能力，能检测和输出电平、脉冲、频率、编码信号；需要具有两路RS485通讯接口。控制分站完成对各检测信号的判读、整理、提炼、上报等处理工作，并接收上级站下传的指令，控制各执行设备的动作，检查动作的完成情况并上报。
（3）控制分站检测各传感设备、执行设备的完好情况，在发生故障时上报主机。
（4）控制分站应答上级站的询问，保持和上级站的联络，可以在上位机对其远程进行程序升级。该设备配有各种指示灯指示工作状态，以方便调试和维护。
（5）控制分站能监视上级站的工作状态，当发现上级站巡访中断时，能自动将所辖信号机置为约定信号，使系统导向安全。
稳压电源在系统中作为直流电源，供井下控制分站及检测、控制设备使用，稳压电源与控制分站配套安装，数量与控制分站一致。
（1）稳压电源满足15V、5V两组直流电源输出，分别供检测、执行设备、通讯电路和分站使用。其中15V、电源与5V电源之间保持电隔离，以切断现场设备与分站之间的电气连接，保证系统的可靠性。
（2）稳压电源各路输出都应具备独立的双重保护功能，能对短路、过压、过流等故障实现断电保护，以保证设备的正常运行。
（3）稳压电源应设置电网掉电检测电路，供分站辨识井下电网电压供应情况。
（4）稳压电源应具有内部后备电池组，当电网供电切断后，能自动转为电池供电并维持2h以上，稳压电源对后备电池组可实行浮充充电并配有过充电保护和过放电保护电路，可以实现后备 电池组的免维护运行。同时还有电池电压检测电路，将电池电压转换为频率信息供井下分站检测并上报。
信号机用来给出进路开放与闭锁及运行方向信号。与基站之间采用RS485总线通讯，外接单相127V工作电源。信号机以红、绿、黄三种颜色显示，可按需要显示方向、字符，显示距离远，观察清晰。灯光可闪烁显示，可在进路开放进提醒司机、行人，能提高效率，保证安全。具有故障—安全功能，收到控制编码后执行此模式90s，控制设备必须在此时间内再次控制，否则信号机认为控制设备故障，以保证运输安全。
气动转辙机作为本系统中重要的执行设备，用于轨道道岔装置的驱动。气动转辙机内部电磁阀接收控制箱驱动控制指令，转换成相应的功率驱动，完成井下轨道道岔装置的动作，同时将监测到的道岔位置信号传送给监控系统。
气动转辙机控制箱，主要用于井下轨道运输监控系统的道岔驱动设备的控制，该设备可与通信基站之间实现485接口通讯。通过外接按钮可实现本地控制，通过无线遥控可实现就近控制。气动转辙机控制箱应实现三种控制方式：
（1）计算机控制：在与KJ293（A）系统联通后，由计算机自动控制，此时其它控制无效。
（2）本机控制：可以实现本地控制包括司控，此控制方式仅当计算机解锁后才有效。
（3）位置闭锁：在道岔附近通车时，计算机可发出信号使道岔位置闭锁，道岔闭锁后，本机、远地及司机控制均失去作用，直至计算机解锁为止。
标识卡与读卡器配合使用，具有超强抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，识读距离可达3米以上，并将信息送往至计算机管理系统，为矿井车辆运输监控管理提供依据。
在系统中与无源信标配合作为井下绝对位置信息的检测传感器使用。与车载机一对一配置。需满足和无源信标之间无线通信；工作频段：(2400~2500)MHz，发射功率≤1mW，接收范围：不小于3米；采用智能通信算法，识别速度快。
车载通信控制器安装在电机车上，采用电机车供电，用于行车任务申请、交通状况显示以及车速、视频、车况等参数的信息采集、行车报警、道岔遥控、车地通信等。其主要功能能实现采集车速、电压、电流、位置、视频信息，并通过WIFI无线上传系统。用于接收来自系统的报警指令并能设置调度任务申请，以便系统自动为其开放进路。
在关键的道岔口、装卸载点安装固定矿用摄像仪，可通过通信基站将视频信号上传至地面。在电机车可安装移动摄像仪，可通过车载机将移动视频信号上传至地面调度台，调度台配置硬盘录像机。
每个水平设置1套安装在井下调度室，供调度人员监测机车运输状况。该设备内置一线品牌工控机。全尺寸接口，支持电口、USB、RS232/422/485，还可增加额外I/O扩展，22显示屏。双千兆高速上网，WIFI模块局域无线上网，实现畅快互联。
本文主要根据姚桥煤矿轨道运输系统现，以煤矿工业以太环网、井下无线通讯系统为核心通讯网络，使用目前先进的煤矿轨道辅助运输自动化控制、信息化等设备和工业计算机组建了一套煤矿井下轨道机车运输安全监控和自动调度系统。本系统可实现轨道运输系统机车精准定位、可视化监视、“信集闭”、自主调度、信号报警、故障诊断、道岔自动控制与指示、弯道报警、和辅助设备接入扩展等功能。系统可以保障煤矿轨道机车运输安全，提高运输效率和煤矿信息化装备水平，值得推广研究和应用。
参考文献
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[2]郑国生;RFID应用在煤矿井下机车调度的研究[D];安徽理工大学;2008年
[3]李英建;煤矿井下机车运输监控系统关键技术的研究[D];山东科技大学;2009年
[4]李文华、左振孝;浅谈“信、集、闭”系统在大型矿井运输中的设计[J];科技创业家;2013年11期
作者简介
王博，男，1987年8月出生，安徽砀山人，大学文化，工程师，现任上海能源大屯煤电公司机电管理部运输主管助理。
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