西翼暗斜井道岔自动集控装置的设计与应用

高理鹏 徐士龙 孟凡龙

（山东能源枣矿集团高煤公司，山东 济宁 277600）

1 问题的提出

高煤公司暗斜井轨道采用双钩提升，矸石车和空车皮均从下口各自车道进出，上口从两滚筒对应的车道进车，从专用出车道出车。通过人工控制下口、变坡点和上口3 个道岔实现正确进、出车。但从以往的实践来看，提升系统及轨道运输系统故障频发，无法满足安全、高效、稳定、运输自动化、运输智能化的功能需求，必须对人工控制的方法进行调整。

暗斜井道岔系统的要求为：（1）提升机半小时以上故障影响时间每月累计不超过5 h；（2）要能适应近年来西翼提运量的逐年上升要求；（3）斜巷轨道要实现全自动扳道，并能够采集、掌握轨道信息。

结合上述需求，满足需求的关键点在于自动化控制、全方位监测、齐全有效的安全保护三方面。因此，需对高煤公司西翼暗斜井道岔自动集控装置进行设计研制[1-2]，同时要求该装置扳道误操作率<2‰，扳道装置实现人工零介入。

2 道岔自动集控装置方案的比选及确定

2.1 总体方案的比选及确定

2.1.1 总体方案的分析

依据装置需满足的功能要求，要实现上、下口道岔的集控和保护，首先确定系统结构。利用头脑风暴法分析想法与思路，提出了以下3 种总体方案。

（1）独立结构。上口和下口各设立一个主站，上、下口驱动装置和反馈信号接入各自主站，通过主站独立程序实现独立控制。上、下口互相独立，各自监视所负责的道岔状态。

（2）主—分结构。上口设立主站，下口设立I/O 分站，主、分站实现远程通信。下口驱动装置和反馈信号通过通信传入主站，通过主站程序实现上、下口控制和监视功能。

（3）主—主结构。上口和下口各设立一个主站，上、下口驱动装置和反馈信号接入各自主站，通过程序实现独立控制。上、下口实现远程通信和集中监视，上、下口均具备监视功能。

2.1.2 总体方案的比选

从功能性、经济性和安全可靠性比选方案：

（1）功能性比选。分析3 种方案的工艺流程，寻找工艺流程中难以推进与实现的节点或者需人工介入的节点。3 种方案无难以推进或需人工介入的节点，功能性能够满足要求。

（2）经济性比选。分析3 种方案所需设备与材料投入，比较经济性。3 种网络方案中，主—分结构预算最低，主—主结构超预算。

（3）安全可靠性比选。测试3 种方案的拒动率（扫描周期选择50 ms，马达转速选择100 r/min），并分析各方案触发保护时可施加的处理方式。

根据分析与试验对比可知，3 个方案均能满足装置功能性要求，主—分结构和主—主结构的安全保护功能更完善、全面，主—分结构预算最低。综合以上因素，确定选择主—分结构构建道岔自动集控装置。

2.2 二级方案的比选及确定

将主—分结构细化拆分为二级方案，进一步比选和确认。将监视、控制和执行3 个细分方式的不同方案进行试验、分析，确定二级方案，如图1。

图1 二级方案系统示意图

2.2.1 监视方式比选

（1）功能性对比。3 种监视方式均能够显现出道岔和保护动作状态，在实现功能的程度上是一致的，但工控组态显示辨别时间最短，辨别正确率最高。

（2）安全可靠性对比。从各方案搭建系统的故障点数量和主体配件可靠性上分析、比较其安全可靠性。反复通断型设备每钩动作一次，根据年走钩数量折算其寿命，105 次约合半年。工控组态显示不含反复通断型设备，故障点最少，安全可靠性最高。

（3）经济性对比。在预算不高于总体方案中监视装置投资额的前提下对比各方案经济性。3 种方案投资均低于总体方案中的监视装置预算，工控组态显示略低于指示灯拼接显示，但换来的是倍增的功能性效果和安全可靠性。综合以上因素，确定工控组态显示作为最终监视方式。

2.2.2 控制方式比选

因3 种方式工艺类似，分组就3 种控制方式直接进行试制，将完成全部试制流程、可用于现场控制的方案作为最终方案。PLC 控制试制流程如图2。

图2 PLC 控制试制流程图

PLC 控制试制成功；单片机控制试制失败；DCS 控制试制失败。故确定选择PLC 控制方式。

2.2.3 执行方式比选

（1）功能性对比。使用手动板道器配合扭力扳手，量测扳道至少需要扭矩T为300 N·m。气动执行机构和液压执行机构满足功能性要求，电动执行机构方案不满足功能性要求。

（2）安全可靠性对比。电动执行机构和液压执行机构有不可靠因素，气动执行机构不需要其他投入。

（3）经济性对比。在预算不高于总体方案中驱动装置投资额的前提下对比各方案经济性，选择气动执行机构作为最终执行方式。

综合以上比较，确定选择工控组态显示作为装置监视方式，确定PLC 控制作为装置整制方式，确定气动执行机构作为执行方式。

2.3 三级方案的比选及确定

为PLC 通信方式、反馈信号传感器和安全保护的实现方式等细节选定最佳方案。

2.3.1 PLC 通信方式比选

筛选满足现场使用条件的PLC 通信方式。通过分析和现场测试，通信方式需要满足以下2 个条件：（1）通信距离满足1000 m 以上；（2）支持主—分结构。对TCP/P、Profibus、CC-LINK 3 种通信方式进行预算和功能性试验比选，确定PLC 通信方式为CC-LINK。

2.3.2 反馈信号传感器比选

选择效果最好的金属感应传感器作为反馈信号传感器。

2.3.3 安全保护实现方式

安全保护包括道岔拒动和轨道错位，可由装置自行判断或由电控系统参与判断。对这两种方式进行比较如下：（1）装置PLC 判断，然后将保护接点接入电控系统。判断错道程序编制需要矿车行程信号作为条件，但本装置PLC 无法提供矿车行程数据。（2）传感器接点串入电控系统，电控系统判断并保护。电控系统PLC 接收本装置的传感器反馈接点，且具备行程计算功能。确定电控PLC 判断并保护实现安全保护。

2.4 方案确认

基于上述分析研究，西翼暗斜井道岔自动集控装置最终方案如图3。

图3 最终方案系统图

各配件均选用本单位常用备件，不再进行单独选型。根据最后的配件单进行成本核算，确保不超过总体预算，并制作方案预算表，详见表1。

表1 方案预算表

从表1 可知，确定的方案成本在总体预算之内，决定对此方案开展实施。

3 道岔自动集控装置的设计及实施

3.1 搭建执行装置

（1）设计安装气动扳道装置；（2）设计安装扳道控制装置；（3）设计安装电磁阀控制回路。通过扳动继电器强制机构试验3 处道岔动作情况，并记录道岔动作次数。3 处道岔均借助控制回路实现动作，拒动率为0。

3.2 搭建监控系统

（1）安装上、下口站点。设计PLC 电控系统，上、口各设置一个站点，实现远程CC-LINK 通信。安装站点于本安信号操作台，接通实现上、下口通信。

（2）编制程序组态。设计并编制主站通信、电控程序和软件组态项目，实现上、下口和变坡点道岔一站式自动集控和道岔状况监视。验证：现场试验3 处道岔自动动作和组态监视工作状况。集控系统程序实现了全部道岔自动监控功能。

3.3 搭建保护功能

（1）设计保护功能并接入。设计辅助保护功能，将下口轨道开关信号接入下口远程I/O 分站，通过通信传至上口主站，主站通过程序转换为继电器输出，将继电器接点接入电控系统。

（2）在电控系统中编制安全保护程序，实现轨道错位安全保护功能。根据轨道开关状态和绞车位置条件判断轨道错位，然后将错位接点接入提升机软件安全回路，触发安全回路后，PLC 紧停，提升机施加安全制动。现场试验轨道错位保护触发时动作情况。安全保护触发正常，施加安全制动。

4 实践应用效果及效益分析

4.1 应用效果分析

集控装置研制并于2021 年2 月投运后，利用两个月的时间统计该装置运行中的误操作率。每提升1 钩，道岔动作3 次，每次道岔拒动，保护需作用1 次。道岔动作情况统计见表2。

表2 道岔动作情况统计表

由上述统计结果可知，道岔拒动率和保护失效率均控制在0.2%以下，全程实现人工零介入，满足设计要求。

4.2 功能检查

对2 月和3 月内西翼提升机故障影响时间和提升车数进行统计，结果表明故障影响时间显著下降，自动化程度提高，提升车数提高11.2%。

4.3 效益分析

（1）经济效益显著。同类型道岔自动集控装置的市场价约为15 万元，自主研发设备为企业节约资金约14.2 万元。装置的应用每月可创效金额约为1350 元。

（2）安全效益显著。全方位监控，提高斜巷安全可靠性；降低故障影响时间，提高安全运行效率；提高系统自动化水平，彰显无人则安的理念。

（3）社会效益显著。提高斜巷提运效率，降低劳动强度；降低系统维护量，提高现场管理水平；创新设备自动化发展思路，为智慧矿山做铺垫。