基于以太网的煤矿轨道运输监控系统的设计

张 伟

（大同市同煤集团晋华宫矿辅助运输管理科， 山西 大同 037016）

引言

随着我国对煤炭开采的整合与扩建，使得煤矿生产能力大幅提升，现代化生产与信息技术在煤炭生产中的应用越发重要[1-2]。利用计算机信息技术管理井下运输的生产、调度是提升运输能力、保证安全的重要手段[3]。井下巷道线路复杂、运输距离长、对材料、人员、煤炭的运输任务越来越重，传统的运输监测方式对于信号、机车、方位等信息监测量少，难以对其进行合理化调度运输，极易引起车辆的堵塞，轻则影响生产效率，重则带来安全事故。所以为提高生产运输效率、保证生产安全、增加调度可靠性，研究设计一套适用广泛的煤矿轨道运输监控系统。

1 系统常见故障的分析

1）通过对目前常见轨道运输监控系统的结构分析，在整个监控系统中轨道传感器、信号灯、电机等设备属于系统的底层设备，所占位置十分关键。而井下机车在运行中所处的环境恶劣，使得这些设备受到的干扰十分严重，故研究底层设备的稳定性、维护监测设备的运行状态对于井下轨道运输系统的可靠运行具有十分重要的意义。

2）目前井下机车与分站进行通信的方式大多采用射频技术，而在井下受地质构造与开采巷道中物体的影响，不仅通信质量的可靠性差，还会影响通信距离的稳定性，从而在信息传输上带来许多不确定的因素，极易造成机车运输事故的发生。

3）井下监控与通信的分站承担着对机车运输的监测与信号分析等功能，当监控分站不稳定出现故障时，对轨道中的机车标号、位置、速度以及方向等数据信息便不能进行有效地分析与判断，也不能对地面监控中心进行数据信息的实时传输，从而发生运输事故。

2 系统方案的设计

2.1 系统总体结构

本系统将轨道运输系统分为井上与井下两部分构成，井上部分主要由运输监控中心、计算机、服务器、显示器、打印机等构成，井下设备主要由控制主站、监控分站以及各现场设备组成。井上部分设置井下机车的运行状态监测显示，井下部分用于对现场设备状态监测与控制。

井下利用现场布置的传感器等设备对机车位置、速度、运行状态进行实时监测，通过监控分站完成对现场信号机状态信息、传感器信息等数据的采集，同时监控中心也会根据地面监控中心的调控命令对现场信号机与转辙机的控制。井上监控中心与井下控制主站通过以太网相连接，采集井下监控分站中PLC 控制单元所收集的信息，同时将该信息存储在数据服务器中，以便后续查询。井下监控分站则根据地面运输监控中心调度命令自动对运输线路进行检测，实现转辙机的智能化控制，同时监测分站会对运输线路出现的故障状态实时监测。系统总体结构图如下页图1 所示。

2.2 系统功能

煤矿轨道运输监控系统主要是在保障井下煤炭的运输安全的基础上，通过合理化调度控制从而提高运输效率。该系统通过利用井下监测设备的信息采集了解机车的运行状态，根据收集的运行状态控制中心对机车下达调度指令，而本系统相比于传统监控系统，利用分布式监测站，发挥功能更强大的PLC 控制器，对机车运行控制进行优化，具体功能如下：

1）机车定位：利用该系统可以方便调度人员观测到机车的实时位置与编组情况；

2）车辆运行监测：可任意实时监测各编组车辆的方向、车速、油温等状态，同时将机车的运行状态记录在档；

3）自动调控：监测分站可以根据辖区内机车的位置、数目、速度等情况调控每一辆车，优化作业任务，避免堵塞巷道，提高运输效率；

4）系统可以通过井上监测设备采集的数据，对其进行分析判断，当设备发生故障时可以进行故障报警，同时记录在服务器中。

图1 系统总体结构图

2.3 系统网络确定

工业以太网在适用性、实时性、可靠性、本质安全性、抗干扰性等方面有极大的优势。它是基于TCP/IP 的一种标准的开放式网络，具有很强的互联性与兼容性，同时它在保证高传输、远距离的条件下便捷的访问远程系统，从而共享远程数据库，实现对企业控制网络与办公网络的无缝连接，但是以太网实时性程度相对比较低。为弥补以太网这一缺陷，考虑到井上与井下距离又太远，为此本系统利用光纤这种传输介质，通过工业以太网的通信网络将井上监控中心与井下设备相互连接。井下之间的设备利用CAN 现场总线相互连接，井下设备便可以通过以太网-CAN 现场总线网关连接到以太网中，从而增加系统通信的灵活性与实时性。

3 硬件系统的设计

3.1 监控分站硬件组成

对井下现场机车及运输的监控是由监控分站及现场监测设备组成。监控分站主要由PLC 控制器、存储单元、本安电源、显示器、报警器等组成。现场监测设备完成对机车速度、方向、位置等信号的采集，将这些信息与电信号、开关信号、调度信号输入至监控分站，监控分站根据编译的控制策略按优先级对转辙机、信号机等设备做出信号指示，从而实现智能化监控，提高运输效率。运输监控系统的监控分站硬件组成如图2 所示。

3.2 主控器选型

可编程逻辑控制器PLC 因可靠性高、性能稳定、控制能力强、使用方便、编译灵活等特点被现代工控生产中广泛应用，特别适用于恶劣的工矿环境中。目前，PLC 的种类型号很多，不同型号类别的PLC 其性能、存储容量、指令系统等也不尽相同，所以选用合理的PLC 对提高系统性能节省生产成本具有重要意义。结合矿井技术条件与生产情况，衡量稳定性与抗干扰等指标后，本系统采用西门子S7-200PLC。该型号PLC 运算速度快，可靠性高，是一种整体式结构，保证它既可以单机运行也可以增加扩展模块。本系统设置每个监控分站控制5 个转辙机，每个转辙机4 个I/O 通信接口，输出电压为DC24 V，满足传感器需求。

图2 监控分站硬件组成

4 软件程序的设计

井下监控分站主要对运输信息进行采集、通讯和控制，并与现场监测传感器等设备进行连接。一方面不断对自己辖区内的机车信息、信号机信号、转辙机信号、收信机车信号等进行实时监测，并通过优先级控制策略对转辙机与信号机等设备完成井下运输的调控；另一方面将监测的信息上传井上监控中心并接受所下发的调控命令。监控分站所进行的程序设计流程如图3 所示。

图3 监控分站主程序流程图

5 结论

通过分析井下常见运输故障及原因并根据煤矿的轨道运输监控的需求而设计的一套基于以太网的煤矿轨道运输监控系统，分为井上监控中心、井下监控分站及现场监测设备等组成，井上与井下通过可靠性较高的工业以太网相连接。在井下通过现场监测设备对机车速度、方向、位置等信息的采集，传输给监控分站与地面监控中心实现最优化机车运输调控策略，从而完成对轨道运输状态的监控。该系统以PLC 控制为核心完成运输监控，提升了煤矿轨道运输效率，具有很大的应用前景。