CN105892397B - 一种井下电机车无人驾驶运输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下电机车无人驾驶运输系统，包括一种井下电机车无人驾驶运输系统，其特征在于：包括调度系统、机车运行单元、1个以上装载站控制单元、1个以上卸载站控制单元、监控系统、1个以上轨旁设备控制单元、通信系统和牵引供电监控系统。本发明实现了装矿、运输、卸载过程自动运行，运输计划由调度系统自动生成订单。它保证了电机车的安全高效运行、简化了操作、提高电机车作业率、提高矿石产量。它将井下电机车司机、放矿工的工作合二为一，职工工作位置由井下转移到地面，增加安全性、避免了职业病的发生、提高本质安全水平，改善人工作业环境。

Description

一种井下电机车无人驾驶运输系统

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶运输系统，尤其是一种井下电机车无人驾驶运输系统，属于采矿控制技术领域。

技术背景

地下矿山井下电机车运输系统是矿井运输的主动脉，电机车安全高效运行是地釆生产的关键环节。随着地下开釆规模的不断扩大，与生产紧密相关的井下电机车运输任务也越来越繁重，安全性要求也越来越高。目前所使用的运输设备都需要人工驾驶，工作环境、安全保障及运输效率均受到较大制约，因此，对井下电机车地面远程遥控的研究已经成为国内地下釆矿业的迫切任务。而且地面调度人员无法知道机车实时的精确位置，只是通过对讲机与司机联络对讲。

国内井下电机车均为人工驾驶，运行模式为：装矿时每台电机车需跟随一名放矿工进行现场放矿，放矿过程中对车、行车、放矿等动作需要放矿工和电机车司机不断进行沟通、配合对车，这样效率低，以及安全隐患大，人工作业环境差。系统实施后，地面调度人员可以直观的掌握机车的实时的精确位置，提高调度的效率和可靠性。

国内个别矿山开发出了地面遥控驾驶，但是机车运行时候的控制指令需要人为给定，本发明的最大不同是自动驾驶，调度系统根据生产计划和溜井矿石存量计算出运输计划，机车变开始在系统计划的路线自动往返运输，机车行驶过程中的各种指令（速度、鸣笛、照明灯、升降弓、道岔变动、停车等），均不需要人为给定，完全根据预先设定的程序发出控制指令。机车在溜井装载矿石也是自动对车、放矿机自动装料，装料完成后机车自动折返，装料过程正常时不需要人工干预。到达卸料点时自动卸料，卸料完成后再前去装料，往复循环。

发明内容

本发明目的是提供一种井下电机车无人驾驶运输系统。

为解决上述技术问题的， 本发明采用的技术方案是：

一种井下电机车无人驾驶运输系统，包括调度系统、机车运行单元、1个以上安装在装载站的装载站控制单元、1个以上装在卸载站的卸载站控制单元、视频监控系统、1个以上轨旁设备控制单元、通信系统和牵引供电监控系统；所述装载站设置在溜井处；所述卸载站设置在主井处；

所述调度系统安装在地面调度中心，包括MSE接口服务器、1个以上安装有调度软件的控制台、1个以上工程师站、2台以上数据服务器和监控屏幕；所述数据服务器包括1台主用数据服务器和1台备用数据服务器；所述调度系统由不间断电源供电；所述控制台用于设定机车的行驶模式；所述行驶模式包括自动行驶模式和遥控行驶模式；所述控制台提供机车遥控行驶模式下的控制操作人机交互接口；所述控制台显示机车运行参数和故障报警信息，并提供远程处理机车故障的人机交互接口；所述调度软件用于依据各溜井的料位和矿石品味、地下矿日产量需求或运输订单自动生成机车调度方案并导出生产报表，控制机车自主循环运行；所述调度软件还用于记录机车行车参数和运行轨迹、计算机车维护保养时间；所述工程师站用于配置、诊断所述井下电机车无人驾驶运输系统。

所述机车运行单元包括控制核心单元、照明灯、警示灯、警笛、气压系统、定位系统、传感器系统、接触器箱和受电弓；所述机车运行单元由不间断电源供电；所述控制核心单元实时采集机车运行速度，根据机车位置，自动调整机车的运行速度；所述照明灯、警示灯、警笛的开启由控制核心单元依据机车的运行状态自动控制；所述定位系统包括轴编码器和轨旁信标，在控制核心单元控制下定位机车的位置；所述气压系统包括电磁阀、传感器和电气控制箱；所述电气控制箱在控制核心单元控制下控制气路并检测气压状态；所述接触器箱安装在防水配电箱内，包含真空直流接触器；所述受电弓总成包括直流电机配合蜗轮蜗杆减速器；

所述装载站控制单元安装在装载站，包括装载站控制分站、溜井料位仪、装矿对车位置检测仪和放矿机；

所述卸载站控制单元安装在卸载站，包括卸装载站控制分站、主井料位仪、脱轨检测仪；

所述视频监控系统包括1个以上安装在井下运输巷道墙壁上的摄像机、1个以上安装在机车上的车载网络摄像机、安装在装载站的摄像机、安装在卸载站的摄像机、一个安装在调度室的硬盘录像机；

所述轨旁设备控制单元包括轨旁设备控制分站、脱轨器、转辙机；所述轨旁设备控制分站分别连接脱轨器、转辙机和一个无线基站；所述转辙机安装在道岔和脱轨器上，在轨旁设备控制分站控制下控制道岔和信号灯；

所述牵引供电监控系统包括与牵引变电所连接的牵引变电站控制分站，用于对变电所内设备的运行参数在线监测和地面远程控制；

所述通信系统包括光纤环网、地面局域网、1个以上安装在井下运输巷道墙壁上的无线基站和1个以上安装在机车上的车载无线移动基站；所述各无线基站设有定向天线和光纤接口，具有以太环网交换机功能，沿井下巷道组光纤环网；所述车载无线移动基站与无线基站无线连接；所述光纤环网通过光缆连接地面局域网；所述各控制台、工程师站、硬盘录像机、监控屏幕、主用数据服务器和备用数据服务器通过局域网连接；所述各摄像机、装载站摄像机、卸载站摄像机分别通过光纤连接硬盘录像机；

所述机车运行单元的控制核心模块由车载操作台和PLC组成，所述车载操作台和PLC双向连接；所述控制核心模块分别与气压系统、定位系统和受电弓总成双向连接；所述传感器系统的输出端连接所述控制核心模块的相应输入端；所述接触器箱的输入端连接所述控制核心模块的相应输出端；所述受电弓总成包括限位开关和由直流电机控制其升降操作的受电弓，在PLC控制下检测所述受电弓的状态和控制所述受电弓的状态变化；所述气动系统包括气动传感器和电磁阀，在PLC控制下检测气压状态；所述接触器箱包括真空直流接触器和斩波器，所述斩波器的调试脉冲由PLC根据所述井下电机车实时速度控制生成；所述定位系统包括轴编码器和轨旁信标。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明实现了基础信息数字化集中显示控制、生产运输过程可视化自动化、自动分析决策，生产过程减少人为干预的总建设目标，电机车运输系统从卸载站开始，至主提升井循环往返运输，输出品位稳定的原则。调度系统根据釆区各溜井的储存量、地质品位建立数字化派配矿模型；到釆区溜井后，进行远程遥控（或自动）装矿；通过调度系统自动调度列车，实现受电弓自动升降，区间内自动行驶；电机车到卸载站完成自动卸载等循环工作流程。

2、本发明使地面调度人员可以直观的掌握机车的实时的精确位置，提高调度的效率和可靠性；它保证了电机车的安全高效运行、提高电机车作业率、提高矿石产量。

3、本发明将井下电机车司机、放矿工两个人的工作由一个人完成，而且装矿、运输、卸载过程不需要人为干预，运输计划由调度系统自动生成订单。将工作位置由井下转移到地面，增加安全性、改善人工作业环境。

附图说明

图1是本发明实施例1的原理框图；

图2是本发明实施例1中机车运行单元的系统结构图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例应用于司家营地下矿。司家营地下矿在地下180水平有5个用于装矿的溜井、用于卸矿的主井。矿石由14t电机车车头牵引8节4m³车斗从溜井沿轨道运输至主井卸载矿石，推挽式往复循环运输。溜井用作装载站，主井用作卸载站。矿车是侧卸式，矿车在卸载站通过曲型轨道，矿车侧倾时侧板打开，同时卸料。

如图1所示，一种井下电机车无人驾驶运输系统，包括调度系统、机车运行单元、1个以上安装在装载站的装载站控制单元、1个以上装在卸载站的卸载站控制单元、视频监控系统、1个以上轨旁设备控制单元、通信系统和牵引供电监控系统；所述装载站设置在溜井处；所述卸载站设置在主井处。地面调度中心，安装有UPS、配电柜、交换机、硬盘录像机、数据服务器、空调等。敷设了从机房到井下各个设备的光缆。改造了溜井控制箱和牵引变电所，安装控制分站，通过光缆接入到整体通信系统，使之能接受调度室的远程遥控和监测。

系统由四种工作模式。第一种：本系统结合上级MES系统采集各个溜井料位和矿石品味、公司对于地下矿日产量的需求，自动计算出运行机车数量和前去装载的溜井，自主循环运行。该系统还能综合分析机车状态，计算电机车维护保养的时间。按照最优配矿方案直接安排生产计划，确定各溜井的放矿顺序与放矿量，确定电机车的运行区间及运行线路。这是正常的运行方式。第二种：认为干预自动驾驶，不根据MES系统计算得出的运输计划，调度人员直接设定电机车的装矿溜井和卸矿位置，电机车自动往复运行，直到溜井放空，或卸载站料位已满。第三种：调度室人工手动遥控方式驾驶电机车，自由控制速度和方向，遥控升降弓，适用于临时挪车。第四种：机车还保留了驾驶室内手动驾驶功能，机车本体安装小型控制台和触摸屏，司机可以在脱离系统控制后驾驶机车任意行驶。

在溜井对车装矿环节有传感器实时检测机车与放矿机放料斗的相对位置，当位置对齐可以放料时机车自动刹车停车，放矿机开始装矿，装矿完毕在继续装下一矿车，期间地面调度人员通过视频监控装矿过程，可以随时进行人工干预。

将井下电机车司机、放矿工的工作合并，工作位置由井下到地面调度中心， 精简操作，提高生产效率、提高本质安全水平，改善人工作业环境。

当系统正常运行时，随时可以人工介入控制机车运行，机车出现异常时报警，运行过程中出现紧急情况时，机车自动紧急停车。

对电机车行状态进行监测、判断，对出现的预警信息进行声、光电报警，完善各种自动运行保护。运行区间电机车速度变化完全机车自动给定，不需要人工干预。

该系统还能综合分析机车状态，计算电机车维护保养的时间。系统还有运行机车运行轨迹回放，记录关键参数，统计作业率、导出生产报表等功能。

调度中心网络架构采用“客户机/服务器模式”两个数据服务器冗余热备。安装3个控制台，每个操作台配置一个客户机，客户机可以完成整个机车自动运输的任务。另外配置两台工程师站用于系统维护。调度中心控制台可以对机车进行任何操作控制，机车的视频监控画面也在控制台上显示。监控大屏上显示井下所有摄像机的监控画面，并可以自动切换到正在运行的机车上。调度中心安装有UPS，断电后能为调度系统持续供电30分钟。

如图2所示，一种井下电机车无人驾驶运输系统包括控制核心模块、气压系统、定位系统、传感器系统、接触器箱、受电弓总成；所述控制核心模块由车载操作台和PLC组成，所述车载操作台和PLC双向连接；所述控制核心模块分别与气压系统、定位系统和受电弓总成双向连接；所述传感器系统的输出端连接所述控制核心模块的相应输入端；所述接触器箱的输入端连接所述控制核心模块的相应输出端；所述受电弓总成包括限位开关和由直流电机控制其升降操作的受电弓，在PLC控制下检测所述受电弓的状态和控制所述受电弓的状态变化；所述气动系统包括气动传感器和电磁阀，在PLC控制下检测气压状态；所述接触器箱包括真空直流接触器和斩波器，所述斩波器的调试脉冲由PLC根据所述井下电机车实时速度和给定速度进行PID运算生成；所述定位系统包括轴编码器和轨旁信标。

机车运行单元使用小型PLC作为核心控制器，实现机车状态采集、机车本体控制，通过车载无线基站，与调度中心通信、接收地面调度室的控制。PLC根据实时采集机车运行速度，利用PLC的PID算法控制斩波器的脉冲输出，从而改变直流电机转矩，能实现机车速度的闭环控制。当速度超出预设值很多时候，会关断脉冲输出，并自动启动能耗制动。PLC根据机车位置，自动调整运行速度，受电弓状态，因此能实现在弯道、直线段、装载、卸载等位置时速度的自动给定、受电弓的自动升降，不需要人为干预。

照明灯、警示灯和警笛的开启受PLC控制，根据机车的运行状态自动控制。车载气压系统改造后可以接受PLC的压力监测与控制，气压系统的作用是将机车刹停。将手动气阀改为电磁阀，安装传感器，改造电气控制箱，使之能通过PLC控制气路并检测气压等状态。定位系统使用了轴编码器和轨旁信标综合定位，结合PLC内自主开发的程序，定位精度达到厘米级。是全流程控制自动化的基础核心技术。传感器系统用于监测机车的电机电压、电流、不间断电源系统的充电电压、电流、机车环境温度和湿度、关键原件的温度等参数。接触器箱采用真空直流接触器，安装在防水配电箱内，再采取减震措施，可以完美取代现行的凸轮控制器，稳定可靠，而且能实现自动化控制。受电弓由原来的手动拉绳控制改为直流电机配合蜗轮蜗杆减速器，电机正转时与电机同轴的卷盘带动钢丝绳拉动受电弓将受电弓脱离架线，升弓控制时电机反转钢丝绳松开，受电弓依据弹簧反力升起。

机车本体传感器监测空压机管路气压、车轮轴承温度、运行电流、运行速度等，不影响安全的状态异常报警显示在人机界面、影响安全的异常则直接减速或停车同时报警。在进入弯道、交叉巷道之前自动鸣笛，在进入溜井装载、进入卸载站卸矿之前自动鸣笛，调度人员通过机车视频图像发现机车运行前方异常可以手动鸣笛和停车。当机车通信中断超过一定时间失去控制时，还可以切断牵引变电所电源，让机车自然停车。当机车进入限制区域或失控时，还可以启动机车运行前方的脱轨器，强制机车脱轨停车。

装载站的溜井安装料位检测仪表，摄像机。改造振动给料机，改造后可以实现远程控制和监测。安装列车轮廓检测器，检测车斗装的料位高度是否正常。每个装载站配置一个控制分站，分站连接、控制装载站的现场设备，并且分站与调度系统通信，实现装载站的自动化控制和监测。卸载站的主井安装料位检测仪表，摄像机。在卸载站的轨道上安装脱轨检测装置。每个卸载站配置一个控制分站，分站连接、控制卸载站的现场设备，并且分站与调度系统通信，实现卸载站的自动化控制和监测。

在溜井的放矿机上方、矿石卸载点、沿运输巷道壁关键位置安装摄像机，单独组网，经过光缆传输至调度室硬盘录像机，再传输显示在控制台的屏幕上。机车本体的所有控制信号和视频监控画面通过交换机连接至车载无线基站，车载无线基站与巷道壁挂的无线基站进行数据通信，从而实现机车与地面调度系统的通信连接，最终显示在调度中心控制台上。

主干网的千兆光纤环网交换机、分支网络使用百兆以太网交换机、车载无线移动基站、巷道壁安装的无线基站。通信系统将上述各个系统通过TCP/IP协议通信。井下沿巷道壁安装的无线基站不但有符合IEEE802.11 b/g协议的无线通信功能，带宽54M，还是一个四端口的光纤以太网交换机，同时还有组建环网功能。该基站在井下沿运输巷道壁安装，100米-200米一个，实现无线信号覆盖无盲区，再将所有的基站用光缆组成环网，核心环网交换机放置在调度室内。井下的控制分站支持以太网通信协议，连接到就近的无线基站光纤接口上。控制分站安装在溜井、牵引变电所、卸载点、转辙机、脱轨器附近，实现上述设备的远程自动控制。上述设备同时保留机旁就地控制功能，通过机旁控制箱的转换开关来实现“远程”、“就地”转换。

给道岔和脱轨器安装电动转辙机，并由就近的控制分站监测、控制，通过通信系统传输至调度中心，配合“信集闭”系统控制道岔。信号灯改造后可以接受调度中心的控制，配合“信集闭”系统指示机车的运行方向。在井下运输巷道，建设针对铁路运输的“信集闭”自动化控制系统。实现信号灯、电动道岔进行集中自动控制。电机车全程移动闭锁运行，避免电机车追尾事故的发生。当机车的行驶线路一旦确定后，系统自动规划路线，转辙机自动按照规划的路线扳动道岔，同时反馈道岔的位置状态，不需要人员在现场手动扳动道岔，保证主运输系统的安全运行和现场无人操作的需求。

Claims (2)

1.一种井下电机车无人驾驶运输系统，其特征在于：包括调度系统、机车运行单元、1个以上安装在装载站的装载站控制单元、1个以上装在卸载站的卸载站控制单元、视频监控系统、1个以上轨旁设备控制单元、通信系统和牵引供电监控系统；所述装载站设置在溜井处；所述卸载站设置在主井处；

所述调度系统安装在地面调度中心，包括MSE接口服务器、1个以上安装有调度软件的控制台、1个以上工程师站、2台以上数据服务器和监控屏幕；所述数据服务器包括1台主用数据服务器和1台备用数据服务器；所述调度系统由不间断电源供电；所述控制台用于设定机车的行驶模式；所述行驶模式包括自动行驶模式和遥控行驶模式；所述控制台提供机车遥控行驶模式下的控制操作人机交互接口；所述控制台显示机车运行参数和故障报警信息，并提供远程处理机车故障的人机交互接口；所述调度软件用于依据各溜井的料位和矿石品味、地下矿日产量需求或运输订单自动生成机车调度方案并导出生产报表，控制机车自主循环运行；所述调度软件还用于记录机车行车参数和运行轨迹、计算机车维护保养时间；所述工程师站用于配置、诊断所述井下电机车无人驾驶运输系统；

所述机车运行单元包括控制核心单元、照明灯、警示灯、警笛、气压系统、定位系统、传感器系统、接触器箱和受电弓；所述机车控制单元由不间断电源供电；所述控制核心单元实时采集机车运行速度，根据机车位置，自动调整机车的运行速度；所述照明灯、警示灯、警笛的开启由控制核心单元依据机车的运行状态自动控制；所述定位系统包括轴编码器和轨旁信标，在控制核心单元控制下定位机车的位置；所述气压系统包括电磁阀、传感器和电气控制箱；所述电气控制箱在控制核心单元控制下控制气路并检测气压状态；所述接触器箱安装在防水配电箱内，包括真空直流接触器；受电弓总成包括直流电机配合蜗轮蜗杆减速器；

所述装载站控制单元安装在装载站，包括装载站控制分站、溜井料位仪、装矿对车位置检测仪和放矿机；

所述卸载站控制单元安装在卸载站，包括卸装载站控制分站、主井料位仪、脱轨检测仪；

所述视频监控系统包括1个以上安装在井下运输巷道墙壁上的摄像机、1个以上安装在机车上的车载网络摄像机、安装在装载站的摄像机、安装在卸载站的摄像机、一个安装在调度室的硬盘录像机；

所述轨旁设备控制单元包括轨旁设备控制分站、脱轨器、转辙机；所述轨旁设备控制分站分别连接脱轨器、转辙机和一个无线基站；所述转辙机安装在道岔和脱轨器上，在轨旁设备控制分站控制下控制道岔和信号灯；

所述牵引供电监控系统包括与牵引变电所连接的牵引变电站控制分站，用于对变电所内设备的运行参数在线监测和地面远程控制；

所述通信系统包括光纤环网、地面局域网、1个以上安装在井下运输巷道墙壁上的无线基站和1个以上安装在机车上的车载无线移动基站；所述各无线基站设有定向天线和光纤接口，具有以太环网交换机功能，沿井下巷道组光纤环网；所述车载无线移动基站与无线基站无线连接；所述光纤环网通过光缆连接地面局域网；所述各控制台、工程师站、硬盘录像机、监控屏幕、主用数据服务器和备用数据服务器通过局域网连接；所述各摄像机、装载站摄像机、卸载站摄像机分别通过光纤连接硬盘录像机。

2.根据权利要求1所述的井下电机车无人驾驶运输系统，其特征在于：所述机车运行单元的控制核心模块由车载操作台和PLC组成，所述车载操作台和PLC双向连接；所述控制核心模块分别与气压系统、定位系统和受电弓总成双向连接；所述传感器系统的输出端连接所述控制核心模块的相应输入端；所述接触器箱的输入端连接所述控制核心模块的相应输出端；所述受电弓总成包括限位开关和由直流电机控制其升降操作的受电弓，在PLC控制下检测所述受电弓的状态和控制所述受电弓的状态变化；气动系统包括气动传感器和电磁阀，在PLC控制下检测气压状态；所述接触器箱包括真空直流接触器和斩波器，所述斩波器的输出脉冲由PLC根据所述井下电机车实时速度和给定速度PID运算生成；所述定位系统包括轴编码器和轨旁信标。