一種井下電機車無人駕駛運輸系統的制作方法

本實用新型涉及一種無人駕駛運輸系統，尤其是一種井下電機車無人駕駛運輸系統，屬于采礦控制技術領域。

技術背景

地下礦山井下電機車運輸系統是礦井運輸的主動脈，電機車安全高效運行是地釆生產的關鍵環節。隨著地下開釆規模的不斷擴大，與生產緊密相關的井下電機車運輸任務也越來越繁重，安全性要求也越來越高。目前所使用的運輸設備都需要人工駕駛，工作環境、安全保障及運輸效率均受到較大制約，因此，對井下電機車地面遠程遙控的研究已經成為國內地下釆礦業的迫切任務。而且地面調度人員無法知道機車實時的精確位置，只是通過對講機與司機聯絡對講。

國內井下電機車均為人工駕駛，運行模式為：裝礦時每臺電機車需跟隨一名放礦工進行現場放礦，放礦過程中對車、行車、放礦等動作需要放礦工和電機車司機不斷進行溝通、配合對車，這樣效率低，以及安全隱患大，人工作業環境差。系統實施后，地面調度人員可以直觀的掌握機車的實時的精確位置，提高調度的效率和可靠性。

國內個別礦山開發出了地面遙控駕駛，但是機車運行時候的控制指令需要人為給定，本發明的最大不同是自動駕駛，調度系統根據生產計劃和溜井礦石存量計算出運輸計劃，機車變開始在系統計劃的路線自動往返運輸，機車行駛過程中的的各種指令（速度、鳴笛、照明燈、升降弓、道岔變動、停車等），均不需要人為給定，完全根據預先設定的程序發出控制指令。機車在溜井裝載礦石也是自動對車、放礦機自動裝料，裝料完成后機車自動折返，裝料過程正常時不需要人工干預。到達卸料點時自動卸料，卸料完成后再前去裝料，往復循環。

技術實現要素：

本實用新型目的是提供一種井下電機車無人駕駛運輸系統。

為解決上述技術問題的， 本實用新型采用的技術方案是：

一種井下電機車無人駕駛運輸系統，包括調度系統、機車運行單元、1個以上安裝在裝載站的裝載站控制單元、1個以上裝在卸載站的卸載站控制單元、監控系統、1個以上軌旁設備控制單元、1個牽引供電監控系統；所述裝載站設置在溜井處；所述卸載站設置在主井處；

所述調度系統安裝在地面調度中心，包括MSE接口服務器、1個以上安裝有調度軟件的控制臺、1個以上工程師站、2臺以上數據服務器和監控屏幕；所述數據服務器包括1臺主用數據服務器和1臺備用數據服務器；所述調度系統由不間斷電源供電；所述控制臺用于設定機車的行駛模式；所述行駛模式包括自動行駛模式和遙控行駛模式；所述控制臺提供機車遙控行駛模式下的控制操作人機交互接口；所述控制臺顯示機車運行參數和故障報警信息，并提供遠程處理機車故障的人際交互接口；所述調度軟件用于依據各溜井的料位和礦石品味、地下礦日產量需求或運輸訂單自動生成機車調度方案并導出生產報表，控制機車自主循環運行；所述調度軟件還用于記錄機車行車參數和運行軌跡、計算機車維護保養時間；所述工程師站用于配置、診斷所述井下電機車無人駕駛運輸系統；

所述機車運行單元包括控制核心單元、照明燈、警示燈、警笛、氣壓系統、定位系統、傳感器系統、接觸器箱和受電弓；所述機車運行單元由不間斷電源供電；所述控制核心單元實時采集機車運行速度，根據機車位置，自動調整機車的運行速度；所述照明燈、警示燈、警笛的開啟由控制核心單元依據機車的運行狀態自動控制；所述定位系統包括軸編碼器和軌旁信標，在控制核心單元控制下定位機車的位置；所述氣壓系統包括電磁閥、傳感器和電氣控制箱；所述電氣控制箱在控制核心單元控制下控制氣路并檢測氣壓狀態；所述接觸器箱安裝在防水配電箱內，包括真空直流接觸器或惰性氣體直流接觸器；受電弓總成包括直流電機配合蝸輪蝸桿減速器；

所述裝載站控制單元安裝在裝載站，包括裝載站控制分站、溜井料位儀、裝礦對車位置檢測儀和放礦機；

所述卸載站控制單元安裝在卸載站，包括卸載站控制分站、主井料位儀、脫軌檢測儀；

視頻監控系統包括1個以上安裝在井下運輸巷道墻壁上的攝像機、1個以上安裝在機車上的車載網絡攝像機、安裝在裝載站攝像機、安裝在卸載站的攝像機和硬盤錄像機；

所述軌旁設備控制單元包括軌旁設備控制分站、脫軌器、轉轍機；所述軌旁設備控制分站分別連接脫軌器、轉轍機和一個無線基站；所述轉轍機安裝在道岔和脫軌器上，在軌旁設備控制分站控制下控制道岔和信號燈；

所述牽引供電監控系統包括與牽引變電所連接的牽引變電站控制分站，用于對變電所內設備的運行參數在線監測和地面遠程控制；

通信系統包括光纖環網、地面局域網、1個以上安裝在井下運輸巷道墻壁上的無線基站和1個以上安裝在機車上的車載無線移動基站；所述各無線基站設有定向天線和光纖接口，具有以太環網交換機功能，沿井下巷道組光纖環網；所述車載無線移動基站與無線基站無線連接；所述光纖環網通過光纜連接地面局域網；所述各控制臺、工程師站、硬盤錄像機、監控屏幕、主用數據服務器和備用數據服務器通過局域網連接；所述各攝像機、裝載站攝像機、卸載站攝像機分別通過光纖連接硬盤錄像機。

所述機車運行單元的控制核心模塊由車載操作臺和PLC組成，所述車載操作臺和PLC雙向連接；所述控制核心模塊分別與氣壓系統、定位系統和受電弓總成雙向連接；所述傳感器系統的輸出端連接所述控制核心模塊的相應輸入端；所述接觸器箱的輸入端連接所述控制核心模塊的相應輸出端；受電弓總成包括限位開關和由直流電機控制其升降操作的受電弓，在PLC控制下檢測受電弓的狀態和控制受電弓的狀態變化；氣動系統包括氣動傳感器和電磁閥，在PIC控制下檢測氣壓狀態；所述接觸器箱包括真空直流接觸器和斬波器，所述斬波器的調試脈沖由PLC根據所述井下電機車實時速度控制生成；所述定位系統包括軸編碼器和軌旁信標。

采用上述技術方案，本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型實現了基礎信息數字化集中顯示控制、生產運輸過程可視化自動化、自動分析決策，生產過程減少人為干預的總建設目標，電機車運輸系統從卸載站開始，至主提升井循環往返運輸，輸出品位穩定的原則。調度系統根據釆區各溜井的儲存量、地質品位建立數字化派配礦模型；到釆區溜井后，進行遠程遙控（或自動）裝礦；通過調度系統自動調度列車，實現受電弓自動升降，區間內自動行駛；電機車到卸載站完成自動卸載等循環工作流程。

2、本實用新型使地面調度人員可以直觀的掌握機車的實時的精確位置，提高調度的效率和可靠性；它保證了電機車的安全高效運行、提高電機車作業率、提高礦石產量。

3、本實用新型將井下電機車司機、放礦工兩個人的工作由一個人完成，而且裝礦、運輸、卸載過程不需要人為干預，運輸計劃由調度系統自動生成訂單。將工作位置由井下轉移到地面，增加安全性、改善人工作業環境。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例1的原理框圖；

圖2是本實用新型實施例1中機車運行單元的系統結構圖。

具體實施方式

實施例1：

本實施例應用于司家營地下礦。司家營地下礦在地下180水平有5個用于裝礦的溜井、用于卸礦的主井。礦石由14t電機車車頭牽引8節4m³車斗從溜井沿軌道運輸至主井卸載礦石，推挽式往復循環運輸。溜井用作裝載站，主井用作卸載站。礦車是側卸式，礦車在卸載站通過曲型軌道，礦車側傾時側板打開，同時卸料。

如圖1所示，一種井下電機車無人駕駛運輸系統，包括調度系統、機車運行單元、1個以上安裝在裝載站的裝載站控制單元、1個以上裝在卸載站的卸載站控制單元、監控系統、1個以上軌旁設備控制單元、通信系統和牽引供電監控系統；所述裝載站設置在溜井處；所述卸載站設置在主井處。地面調度中心，安裝有UPS、配電柜、交換機、硬盤錄像機、數據服務器、空調等。敷設了從機房到井下各個設備的光纜。改造了溜井控制箱和牽引變電所，安裝控制分站，通過光纜接入到整體通信系統，使之能接受調度室的遠程遙控和監測。

系統由四種工作模式。第一種：本系統結合上級MES系統采集各個溜井料位和礦石品味、公司對于地下礦日產量的需求，自動計算出運行機車數量和前去裝載的溜井，自主循環運行。該系統還能綜合分析機車狀態，計算電機車維護保養的時間。按照最優配礦方案直接安排生產計劃，確定各溜井的放礦順序與放礦量，確定電機車的運行區間及運行線路。這是正常的運行方式。第二種：人為干預自動駕駛，不根據MES系統計算得出的運輸計劃，調度人員直接設定電機車的裝礦溜井和卸礦位置，電機車自動往復運行，直到溜井放空，或卸載站料位已滿。第三種：調度室人工手動遙控方式駕駛電機車，自由控制速度和方向，遙控升降弓，適用于臨時挪車。第四種：機車還保留了駕駛室內手動駕駛功能，機車本體安裝小型控制臺和觸摸屏，司機可以在脫離系統控制后駕駛機車任意行駛。

在溜井對車裝礦環節有傳感器實時檢測機車與放礦機放料斗的相對位置，當位置對齊可以放料時機車自動剎車停車，放礦機開始裝礦，裝礦完畢在繼續裝下一礦車，期間地面調度人員通過視頻監控裝礦過程，可以隨時進行人工干預。

將井下電機車司機、放礦工的工作合并，工作位置由井下到地面調度中心， 精簡操作，提高生產效率、提高本質安全水平，改善人工作業環境。

當系統正常運行時，隨時可以人工介入控制機車運行，機車出現異常時報警，運行過程中出現緊急情況時，機車自動緊急停車。

對電機車行狀態進行監測、判斷，對出現的預警信息進行聲、光電報警，完善各種自動運行保護。運行區間電機車速度變化完全機車自動給定，不需要人工干預。

該系統還能綜合分析機車狀態，計算電機車維護保養的時間。系統還有運行機車運行軌跡回放，記錄關鍵參數，統計作業率、導出生產報表等功能。

調度中心網絡架構采用“客戶機/服務器模式”兩個數據服務器冗余熱備。安裝3個控制臺，每個操作臺配置一個客戶機，客戶機可以完成整個機車自動運輸的任務。另外配置兩臺工程師站用于系統維護。調度中心控制臺可以對機車進行任何操作控制，機車的視頻監控畫面也在控制臺上顯示。監控大屏上顯示井下所有攝像機的監控畫面，并可以自動切換到正在運行的機車上。調度中心安裝有UPS，斷電后能為調度系統持續供電30分鐘。

如圖2所示，一種井下電機車無人駕駛運輸系統包括控制核心模塊、氣壓系統、定位系統、傳感器系統、接觸器箱、受電弓總成；所述控制核心模塊由車載操作臺和PLC組成，所述車載操作臺和PLC雙向連接；所述控制核心模塊分別與氣壓系統、定位系統和受電弓總成雙向連接；所述傳感器系統的輸出端連接所述控制核心模塊的相應輸入端；所述接觸器箱的輸入端連接所述控制核心模塊的相應輸出端；受電弓總成包括限位開關和由直流電機控制其升降操作的受電弓，在PLC控制下檢測受電弓的狀態和控制受電弓的狀態變化；氣動系統包括氣動傳感器和電磁閥，在PIC控制下檢測氣壓狀態；所述接觸器箱包括真空直流接觸器和斬波器，所述斬波器的調試脈沖由PLC根據所述井下電機車實時速度控制生成；所述定位系統包括軸編碼器和軌旁信標。

機車運行單元使用小型PLC作為核心控制器，實現機車狀態采集、機車本體控制，通過車載無線基站，與調度中心通信、接收地面調度室的控制。PLC根據實時采集機車運行速度，利用PLC的PID算法控制斬波器的脈沖輸出，從而改變直流電機轉矩，能實現機車速度的閉環控制。當速度超出預設值很多時候，會關斷脈沖輸出，并自動啟動能耗制動。PLC根據機車位置，自動調整運行速度，受電弓狀態，因此能實現在彎道、直線段、裝載、卸載等位置時速度的自動給定、受電弓的自動升降，不需要人為干預。

照明燈、警示燈和警笛的開啟受PLC控制，根據機車的運行狀態自動控制。車載氣壓系統改造后可以接受PLC的壓力監測與控制，氣壓系統的作用是將機車剎停。將手動氣閥改為電磁閥，安裝傳感器，改造電氣控制箱，使之能通過PLC控制氣路并檢測氣壓等狀態。定位系統使用了軸編碼器和軌旁信標綜合定位，結合PLC內自主開發的程序，定位精度達到厘米級。是全流程控制自動化的基礎核心技術。傳感器系統用于監測機車的電機電壓、電流、不間斷電源系統的充電電壓、電流、機車環境溫度和濕度、關鍵原件的溫度等參數。接觸器箱采用真空直流接觸器或惰性氣體直流接觸器，安裝在防水配電箱內，再采取減震措施，可以完美取代現行的凸輪控制器，穩定可靠，而且能實現自動化控制。受電弓由原來的手動拉繩控制改為直流電機配合蝸輪蝸桿減速器，電機正轉時與電機同軸的卷盤帶動鋼絲繩拉動受電弓將受電弓脫離架線，升弓控制時電機反轉鋼絲繩松開，受電弓依據彈簧反力升起。

機車本體傳感器監測空壓機管路氣壓、車輪軸承溫度、運行電流、運行速度等，不影響安全的狀態異常報警顯示在人機界面、影響安全的異常則直接減速或停車同時報警。在進入彎道、交叉巷道之前自動鳴笛，在進入溜井裝載、進入卸載站卸礦之前自動鳴笛，調度人員通過機車視頻圖像發現機車運行前方異常可以手動鳴笛和停車。當機車通信中斷超過一定時間失去控制時，還可以切斷牽引變電所電源，讓機車自然停車。當機車進入限制區域或失控時，還可以啟動機車運行前方的脫軌器，強制機車脫軌停車。

裝載站的溜井安裝料位檢測儀表，攝像機。改造振動給料機，改造后可以實現遠程控制和監測。安裝列車輪廓檢測器，檢測車斗裝的料位高度是否正常。每個裝載站配置一個控制分站，分站連接、控制裝載站的現場設備，并且分站與調度系統通信，實現裝載站的自動化控制和監測。卸載站的主井安裝料位檢測儀表，攝像機。在卸載站的軌道上安裝脫軌檢測裝置。每個卸載站配置一個控制分站，分站連接、控制卸載站的現場設備，并且分站與調度系統通信，實現卸載站的自動化控制和監測。

在溜井的放礦機上方、礦石卸載點、沿運輸巷道壁關鍵位置安裝攝像機，單獨組網，經過光纜傳輸至調度室硬盤錄像機，再傳輸顯示在控制臺的屏幕上。機車本體的所有控制信號和視頻監控畫面通過交換機連接至車載無線基站，車載無線基站與巷道壁掛的無線基站進行數據通信，從而實現機車與地面調度系統的通信連接，最終顯示在調度中心控制臺上。

主干網的千兆光纖環網交換機、分支網絡使用百兆以太網交換機、車載無線移動基站、巷道壁安裝的無線基站。通信系統將上述各個系統通過TCP/IP協議通信。井下沿巷道壁安裝的無線基站不但有符合IEEE802.11 b/g協議的無線通信功能，帶寬54M，還是一個四端口的光纖以太網交換機，同時還有組建環網功能。該基站在井下沿運輸巷道壁安裝，100米-200米一個，實現無線信號覆蓋無盲區，再將所有的基站用光纜組成環網，核心環網交換機放置在調度室內。井下的控制分站支持以太網通信協議，連接到就近的無線基站光纖接口上。控制分站安裝在溜井、牽引變電所、卸載點、轉轍機、脫軌器附近，實現上述設備的遠程自動控制。上述設備同時保留機旁就地控制功能，通過機旁控制箱的轉換開關來實現“遠程”、“就地”轉換。

給道岔和脫軌器安裝電動轉轍機，并由就近的控制分站監測、控制，通過通信系統傳輸至調度中心，配合“信集閉”系統控制道岔。信號燈改造后可以接受調度中心的控制，配合“信集閉”系統指示機車的運行方向。在井下運輸巷道，建設針對鐵路運輸的“信集閉”自動化控制系統。實現信號燈、電動道岔進行集中自動控制。電機車全程移動閉鎖運行，避免電機車追尾事故的發生。當機車的行駛線路一旦確定后，系統自動規劃路線，轉轍機自動按照規劃的路線扳動道岔，同時反饋道岔的位置狀態，不需要人員在現場手動扳動道岔，保證主運輸系統的安全運行和現場無人操作的需求。