矿井斜巷运输嵌入式隐藏挡车系统研究

陈天航

摘 要：针对煤矿井下斜巷运输系统事故尤其是跑车事故多发现象，通过对斜巷运输系统特点分析，应用电动、气动驱动和计算机控制技术，研制了远距离嵌入式隐藏防跑车系统，其在多个煤矿应用，有效防止并杜绝了斜巷跑车事故的发生，为煤矿运输尤其是斜巷运输安全做出了贡献。

关鍵词：矿井；斜巷运输；嵌入式；挡车系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.046

1 前言

煤矿井下运输包括，井筒提升，大巷运输、不同水平工作面之间的斜巷运输。在这些运输中，轨道运输及其安全非常重要。另外，由于煤矿井下斜巷由于空间小、工作环境恶劣等，成为煤矿井下运输中的事故多发区域，而斜井运输事故中最为严重的事故之一就是斜巷跑车事故[1]。虽然经过煤矿运输系统广大工程技术人员的多年不懈努力，煤矿斜巷安全防护得到了一定的改善，但仍存在着许多不安全因素[2]，因此，杜绝煤矿斜巷运输的跑车事故，是保证煤矿斜巷轨道运输安全生产的关键[3]。针对以上问题，安徽理工大学与淮北矿业集团合作，研制了远距离嵌入式风动保险挡车系统，有效防止并杜绝了此类事故的发生，为煤矿运输尤其是斜巷运输安全做出了贡献。

2 远距离嵌入式风动保险挡车系统工作原理

嵌入式防跑车装置根据煤矿井下斜巷现场的实际情况，在矿车轨道布设一些传感器，一旦矿车到达相应位置，其传感器动作，可编程控制器检测到传感器的信号，通过软件对信号进行分享判断，再根据情况决定气控阀的开闭和保险挡的自动起落。系统结构如图1所示。

当矿车正常下行时，当行驶至测速区速度传感器（此速度传感器由A、B两个霍尔传感器构成）区间，霍尔传感器将速度等信号发生给可编程控制器的CPU，PLC的CPU通过检测的速度判断矿车的速度是否在正常范围，若矿车的速度低于设定的阈值，可编程控制器将触发气控阀动作，从而使得保险挡落下并保持该状态，若矿车的实际速度超过了设定的阈值并继续运行，常闭挡车器就不会动作，此时将发出报警信号并反馈给绞车司机，从而预防事故的发生。此时往下运行的矿车通过位置传感器C（一个霍尔传感器）时，位置传感器C的信号不产生命令。上行时，当到达位置传感器C时，位置传感器C检测到矿车通过，并发出信号传递给可编程控制器， PLC的控制器CPU触发电磁气控阀动作，保险挡升起，PLC控制器触发气控阀动作保持保险挡常闭。

3 嵌入式隐藏挡车系统主要特点

把传统的被动防跑和主动监控两者有机的结合，设计一套新型煤矿斜巷防跑车系统，同时具有自动报警和自我检测的功能。根据前面所述的斜井跑车事故原因、斜井防跑车技术应用现状和矿区的应用现状分析，远距离嵌入式风动保险挡车系统应具有如下特点：

（1）采用可编程控制器（PLC）控制。采用可编程控制器控制斜巷跑车防护装置实现矿车速度检测、控制挡车器的动作、系统故障报警等多重保护功能，实现矿车的实时监控和防护。在矿车工作在正常运行速度下，嵌入式防跑车这种的保险挡提升、落下；当矿车的运行速度超过一定限制，也就是判断为跑车状态时，此时嵌入式防跑车的保险挡拒动。

（2）该嵌入式远程防跑车的挡车装置自动化程度高，减轻了工作人员的劳动强度，提高了运输效率。

（3）远距离嵌入式风动保险挡车系统还具有挡车器状态监视、语言报警等功能。

（4）远距离嵌入式风动保险挡车系统具有自动和手动功能，检修方便、安全可靠。

（5）远距离嵌入式风动保险挡车系统能够杜绝主观因素和客观因素等造成的各类事故发生。

（6）整个系统简单，制作成本低，制作和安装工艺简单。

4 远距离嵌入式风动保险挡车控制系统设计

远距离嵌入式风动保险挡车控制系统由5部分构成： 包括测速装置、视频监控装置、气动驱动装置、隐式车挡机构和控制装置等，如图2所示。

4.1 霍尔传感器测速装置

霍尔测速传感器一般都安装在煤矿井下运输轨道外侧，在矿车的车厢上安装磁性材料。当矿车通过时，磁场发生变化，从而使得霍尔速度传感器检测出矿车的运行速度。霍尔测速传感器之所以在煤矿井下得到应用，是因为其具有响应速度快、调节安装方便、分辨能力强、抗粉尘、潮湿、抗干扰能力强、适用温度广等优点[4]。

根据临涣矿为非磁性矿、斜巷内在矿车运行时易起粉尘、不需全程监控等实际情况，因而选用霍尔测速传感器。

4.2 视频监控装置

根据图像处理技术、网络技术和视频传输技术发展，视频监控系统在各行各业中得到广泛应用。视频监控系统作为煤矿安全生产视频监控系统中一个关键部分。

在本系统中，只需要监控到矿车运行状况。在矿区原有的视频监控基础上，扩展加入巷道监控模块即可实现对矿车运行的监控。采用价格较为低廉煤矿井下防爆式摄像仪。

4.3 嵌入式挡车气动驱动装置

嵌入式挡车驱动装置用来控制车挡开闭。一般有气动式、液动式、电动式等。

嵌入式挡车气动驱动装置包括换向阀、空气滤清器和气缸及等。

气动装置亦具有响应快，动作灵活，不需要电机驱动等特点。气动驱动的气源为充足易得的矿井通用高压气源，清洁无污染。冲击小。

在反复调研和比较的基础上，采用气动作为远距离嵌入式风动保险挡车系统的驱动装置。

4.4 嵌入式挡车执行机构

悬空式挡车机构其优点是其动作机构完全悬在空间，不致被煤渣堵塞失灵，动作灵敏，结构较简单，维护方便。它的缺点是装料过高运输时，容易引起误动作。另外，如一次挂车辆过多，活动杆连续被碰，逐渐增大摆幅，也会产生误动作。

本文采用的是嵌入式挡车机构，它安装于轨道平面下方。通过可编程控制器的CPU模块和高速计数模块首先检测矿车是否在正常设定的运行速度范围内。若矿车正常运行没有超出设定的运行速度，可编程控制器输出控制驱动气控阀动作，保险挡落下，矿车正常通行。若编程控制器的CPU模块和高速计数模块检测出矿车处于超速运行状态，这时挡车装置不会动作。

4.5 嵌入式挡车系统电气控制核心

整个系统共分为手动、自动和测试3种工作方式，通过操作箱上相应的控制开关来进行选择。测试方式是在系统安装或者检修时使用的一种工作方式，通过测试按钮用以测试挡车机构的状态。手动方式是通过手动按钮来控制保险挡的回落与升起。自动工作是正常情况下使用的工作方式，分為矿车正常运行和发生跑车两种情况。

（1）正常运行。矿车下行时，保险挡处于“常闭式”防护状态，矿车经过速度传感器时，速度传感器得到的矿车的运动速度等于提升机的速度，将保险挡回落，隐藏于地下，让矿车通行。

（2）发生跑车。当速度传感器测得的矿车速度大于提升机的速度、传感器或提升机故障报警时，保险挡不动作，阻挡矿车通过。

嵌入式防跑车系统的电气原理如图3所示。

装置送电后，首先系统进行初始化工作，可编程控制器的CPU模块使4个传感器开始检测。然后可编程控制器判断挡车装置是否升起到位。当矿车正常运行行驶到速度传感器检测区域，可编程控制器及其执行机构控制触发气控阀进行工作，使挡车装置降下，矿车正常通过。若矿车速度超出事先设定的最大运行速度，也就是判断为跑车发生，此时通过可编程控制器及其执行机构将挡车装置保持升起的位置状态即，从而实现对矿车进行可靠拦截，杜绝了跑车事故的发生。当矿车上行通过安装于上部距离保险挡一辆矿车长度的位置传感器时，位置传感器将发出矿车已通过的信号， PLC控制升起刚经过的保险挡，这时矿车继续上行通过速度传感器，如果在矿车在完成此次上行运行过程中，速度传感器再次检测到矿车通过的信号，如果出现跑车现象，发出警报。如果由于故障使得下落保险挡或升起保险挡在规定的时间内完成规定的动作，此时可编程控制器及其输出装置将使提升装置停车，从而保护了斜巷运输系统的安全。

4.6 挡车控制系统工作过程

（1）当矿车处于矿车下行状态：本装置接通电源，绞车启动。① 若矿车运行速度在正常范围内，PLC控制箱将控制气缸进行收起保险挡的动作；②若矿车速度达到或超过事先设定的运行最大速度，也就是判断超出正常运行速度时，可编程控制器及其执行机构将不就行输出，嵌入式挡车装置保持升起的位置状态，对认为已经超速的矿车进行可靠拦截，避免跑车事故发生。保障了斜巷运输的安全。

（2）矿车上行：本装置接通电源，绞车启动，此时所有保险挡下落。上行运行过程是：① 当矿车上行通过安装于上部距离保险挡一辆矿车长度的位置传感器时，位置传感器将发出矿车已通过的信号， PLC控制升起刚经过的保险挡；② 矿车上行在未经过速度传感器时跑车，此时，刚升起的保险挡不动作；矿车上行在经过速度传感器后跑车，这时速度传感器测得的矿车速度与绞车信号比较大于矿车正常运行速度，此时PLC不动作，保持升起状态，阻止矿车继续向下运动。

（3）车运行过程中发生跑车事故，PLC根据比较速度的发出报警信号，同时矿车撞击挡车装置的保险挡，同时立即停止运行，工作人员按照故障复位后方可继续进行运输。

5 嵌入式挡车系统的软件设计

5.1 系统操作台介绍

操作台面板示意图如图4所示。

系统开关：此开关与绞车联动。即绞车开关打开后此系统自动打开，并默认为自动运行。

指示灯1：亮，表示系统已开启。

自动运行按钮：按此按钮后挡车系统进入自动运行状态，在此状态下，按手动运行按钮可切换至手动运行。

上行/下行开关：此开关与绞车上行、下行开关联动，控制绞车与挡车控制系统完成自动运行。

指示灯2：亮，表示系统处于自动运行状态。

手动运行按钮：按此按钮后挡车系统进入手动运行状态，在此状态下运行时，按自动运行按钮不可切换，必须等绞车停止后才可切换。

指示灯3：亮，表示系统处于手动运行状态。

全复位按钮：此按钮用于将所有保险挡复位于常闭状态，即升起状态。

速度显示屏：显示速度传感器测得的速度。

保险挡状态指示：灯为绿色，表示保险挡处于升起状态，黄色表示保险挡处于收起状态。红色表示这个保险挡已发生故障。1、2、3…表示保险挡从上到下的序号。

保险挡控制按钮：用于在手动控制状态下，控制各个保险挡的升起与下落，+为升起，-为下落。与上方的保险挡状态指示灯相对应。

视频显示：用于防爆摄像头实时显示巷道内拍摄的画面。

喇叭与报警灯：用于在跑车时发出声光报警。此时喇叭重复发出警报声，报警灯为红色并闪烁。

5.2 挡车系统自动运行程序设计

挡车系统自动运行与手动运行的程序流程图如图5所示。

（下转第46页）

（上接第55页）

在自动运行状态下，在下行时，如果速度传感器得到的矿车的运动速度等于提升机的速度时，将保险挡杆收起，隐藏于地下，放矿车通过。当速度传感器测得的矿车速度大于提升机的速度、传感器或提升机故障报警时，不产生动作，阻挡矿车通过。上行时，如果位置传感器检测到有矿车通过的信号，将其上方的距离最近的保险挡杆收起，隐藏于地下，放矿车通过，矿车通过位置传感器后，保险挡及时升起。

5.3 上位人机界面监控系统设计

界面如图6所示。

6 总结

（1）首次将风动驱动应用于防跑车系统。采用风动驱动的挡车装置，当速度传感器检测到矿车速度大于提升机的速度时，风动装置自动打开巷道风管气阀对挡车机构的气缸供气，迅速将保险挡从轨道平面地下向上升起，从而实现对矿车的阻拦。

（2）隐形式的挡车设计。矿车正常运行时，挡车机构嵌入在斜巷轨道中央地下，隐藏于轨道平面之下，发生跑车时，挡车机构迅速从轨道平面地下向上升起从而可靠阻挡矿车，防止跑车事故发生。

（3）远距离自动控制、显示和报警。大大减少了斜巷工作人员的劳动强度。

远距离嵌入式风动保险挡车系统控制装置和挡车机构动作灵活，工作稳定可靠，维护方便，易于操作，监控系统可靠直观。挡车器结构简单，材料、配件容易购置，易于加工；可以承受较大速度的矿车撞击；造价低廉，经济效益明显。整个系统维修量小，节省人力，减少了人员的管理。

参考文献：

[1]王红强.KJ709 型安全监测监控系统在斜巷运输中的设计与应用[J].煤矿机电，2015（01）：10-13.

[2]陈勇，管志光，丁代存，吴承格.煤矿井下斜巷控制系统的研究[J].煤矿机械，2011（11）.

[3]芦岭群，赵洪涛，吕同建.煤矿斜巷运输安全自动化控制系统[J].硅谷，2014（17）：10-11.

[4]秦其昌.矿山有轨运输系统自动化控制与应用探讨[J].矿山机械，2012（05）.