双线循环式货运索道卡斗保护控制系统的研究与实现

0 引言

架空索道是一种将钢丝绳架设在支撑结构上作为运行轨道、用以运输物料或人员的运输系统。双线循环式货运索道既有承载索又有牵引索，货车在线路上循环运行，用于运输物料的索道[1]。它是钢丝绳运输的一种特殊形式，用架设在空中的钢丝绳(承载索)作为货车运行的导轨，而货车则由钢丝绳 (牵引索) 牵引运输货物[2]。双线循环式货运索道具有对自然地形适应性强，受气候影响小，装、卸载设施简单，消耗能量少和易于制造等优点，所以在我国矿山，特别是山区矿山的运输发挥着很大作用[2]。

攀枝花煤业(集团)精煤分公司大宝鼎煤矿架空索道为双线循环式货运索道，每条索道由装矿站、卸矿站、张锚站和线路4部分组成。索道线路部分有承载索、抱索器、牵引索、滑轮、鞍臂和塔架等设备或结构组成。索道全长2.66 km，线路支架19个，有装矿站、卸矿站及1个无人值守张锚站。索道运行过程中，由于煤斗发斗的随机性、支架之间距离不均匀、煤斗采用承载绳和牵引绳双绳结构和重载下行等因素，导致煤斗在线上非均匀布置，支架之间牵引绳产生不同程度的下沉；再加上刮风、下雨等自然条件的影响，可能造成卡斗(指煤斗被卡住不动)甚至掉斗(指煤斗离开钢丝绳掉落到地面)等现象[3]。

索道线路运输过程中存在的主要问题有卡斗、掉斗等问题[4]。煤斗在过支架鞍臂时运行在承重绳上的滑轮部分突然脱离轨道可能出现卡斗甚至掉斗等现象，卡斗严重时甚至产生断绳事故[5]。而索道下方存在公路、桥梁等人员和车辆密集区域，对过往人员和车辆的生命及财产安全形成了严重的威胁。本文着重研究煤斗在通过支架鞍臂时出现的卡斗检测控制问题。

1 卡斗保护控制系统方案设计

攀枝花煤业(集团)公司精煤分公司大宝鼎煤矿索道系统因野外线路长、条件恶劣、布线难度大、费用高等原因，故塔架供电采用太阳能电源，塔架至索道PLC柜之间信号传输采用无线传输[6]，PLC柜之间采用光纤传输，进入煤矿主干网。双线循环式货运索道保护[7]控制系统方案如图1所示。

图1 双线循环式货运索道卡斗保护控制系统方案示意
Fig.1 Bicable circulating material ropeway blocking coal bucket protection control system schematic diagram

该方案保护控制系统[8-10]设备由装矿站设备、卸矿站设备和塔架设备组成。装矿站部分主要设备有无线接收器和PLC操作台；卸矿站部分主要设备有无线接收器和PLC操作台；塔架部分主要有无线发送器[11]、卡斗检测装置和太阳能电源。

无线接收器和无线发送器主要实现塔架上卡斗检测装置输出信号、太阳能工作状态等数据的收发；PLC操作台主要实现无线接收器数据的读取、煤斗“卡斗”或“掉斗”判断的处理与控制。卡斗检测装置主要实现煤斗是否卡斗的判断与检测。太阳能电源用于塔架无线发送器与卡斗检测装置的供电。方案中装矿站PLC操作台和卸矿站PLC操作台可通过光电交换机接入已铺设的光缆实现通信，这样采用2个PLC操作台对无线接收器数据的读取。

2 卡斗保护控制系统详细设计

方案中涉及的难点主要是：塔架上设备供电、卡斗检测、塔架与控制中心数据通信和塔架上设备避雷、防水、防盗与防高温。

2.1 塔架上设备供电

塔架上需要供电的设备有1个无线发射模块和4个非接触式接近开关，功率不大于10 W。另外考虑到攀枝花降水不多，云量少而光照充足，全年日照时数长达2 300～2 700 h，可通过安装太阳能电源+蓄电池的方式解决供电问题。太阳能电源[12-13]系统由太阳能电池板、太阳能控制器[14]和蓄电池等组件组成。

2.2 卡斗检测

在塔架左右两侧支柱上分别安装非接触式接近开关检测料斗是否通过鞍臂，非接触式接近开关安装位置如图2所示。

图2 非接触式接近开关安装位置示意
Fig.2 Noncontract proximity switch installation site diagram

(1)光电开关。利用发射出红光或红外光的光束反射返回与否来检测物体是否通过光电开关[15]。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，光电传感器结构简单、使用方便、形式灵活多样、体积小，在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开关。光电接近开关工作时，对被测对象几乎无任何影响。因此，光电开关在传真机上及烟草机械上被广泛使用[16]。

一般有可能造成光电开关的误动作，应尽量避开场所有：灰尘较多的场所，腐蚀性气体较多的场所，水、油、化学品有可能直接飞溅的场所，户外或太阳光等有强光直射而无遮光措施的场所，环境温度变化超出产品规定范围的场所,振动、冲击大而未采取避震措施的场所。

(2)超声波接近开关。利用发射出超声波的反射返回与否来检测物体是否通过超声波接近开关。超声波接近开关用于检测不同材料、外形、颜色或浓度的物体，具有极佳的精确性、灵活性和可靠性，其应用范围非常广泛。检测与表面的性质无关，表面可以粗糙或平滑、清洁或脏污、潮湿或干燥。 高温物体(例如灼热的金属)会引起空气扰动，这种扰动的空气会使超声波发生散射或偏转，无法生成可被评价的反射波。以雨、雪形式出现的低程度的降水对超声波接近开关的功能不会产生不利影响。

非接触式接近开关检测卡斗如图3所示。

图3 非接触式接近开关检测卡斗示意
Fig.3 Noncontract proximity switch detect blocking coal bucket diagram

当索道运行时，料斗四轮开始移动到鞍臂时，非接触式接近开关检测到料斗，送入采集板，采集板中CPU开始计时，由于料斗运行速度2.5 m/s，鞍臂长2.1 m，大约0.84 s就通过鞍臂。假定CPU计时超过1.2 s(需考虑2台非接触式接近开关响应延时时间0.25 s)后，此时非接触式接近开关仍然未检测到料斗信号，说明料斗已“卡斗”，否则说明料斗已顺利通过鞍臂。考虑到可靠性和经济性，配置非接触式接近开关塔座左右两侧各配置2台光电开关(非接触式接近开关采用光电开关)。

2.3 塔架与控制中心数据通信

在每个塔架上安装无线发射模块，在控制中心操作台上安装无线接收器，通过点对多点的方式无线组网，每个塔架上的无线发射终端设备设置有不同的地址，一旦发生“卡斗”，便可定位具体在哪个塔架上出现。

当非接触式接近开关没有检测到煤斗通过时，无线发送器每20 s发送1次心跳信号给无线接收器，其他时刻保持睡眠状态以降低功耗；当非接触式接近开关检测到煤斗通过时发送1次数据，若收到无线接收器的接收成功信息，则无线发送器不再发送该数据，否则，继续再发送1遍，连续3遍，如果仍然没有收到无线接收器的接收成功信息则停止发送该数据，直到20 s后发送1次心跳信号。

根据塔架上每个无线发送器有无心跳信号，系统可以判断出每个无线发送器是否与接收器通信中断，可将故障精准定位于哪个无线发送器。如果其中某个无线发送器出现问题，也不影响其他无线发送器和接收器的工作，及时更换新的无线接收器，在更换之前也不影响索道整体运行，如启停、打点联络、发斗等控制或者工作状态采集。

如果索道运行过程中，第1个非接触式接近开关检测到煤斗、第2个开关没有检测到而此时索道突然停止，控制程序会根据索道的运行状态来认定没有卡斗，不会产生误判。

为了避免无线接收器同时接收多个无线发送器的数据而产生的干扰或数据掉包，也可以在无线发送器端进行卡斗故障判断。判断到卡斗了才会发送1次数据，否则保持正常心跳信号发送。

如果出现由于通信距离远不通或通信时通时断的情况，可以加装无线中继器模块，缩短通信距离，提高无线信号可靠性。

为了保证无线通信的速度，发送数据量要尽量小，不能超过128 Byte。主要数据有：心跳数据1 bit，蓄电池电量1 Byte，太阳能电源故障1 bit，卡斗故障1 bit，其他数据有字头1 Byte，校验位1 Byte，结束位1 Byte，总共不大于8 Byte的数据量。

2.4 户外设备避雷、防水、防盗与高温

(1)采用防水防尘的箱体，放置太阳能控制器及蓄电池、无线发射模块，无线发射模块天线引至箱体外壳上。

(2)箱体内安装避雷器，箱体可上锁防盗。

(3)塔架上的非接触式接近开关、无线发送器、太阳能控制器及蓄电池等设备选用工作最高温度超过55 ℃的型号。

(4)户外采用的非接触式接近开关选用防护等级IP54以上产品。

3 结语

通过对攀枝花煤业(集团)有限责任公司精煤分公司大宝鼎索道2号塔架、张锚站和15号塔架的现场测试，验证了蓄电池、太阳能板以及控制器间的配合协调可靠，能够满足采集板和传感器的供电要求；验证了无线发送板和中继器的直视传输的可靠；通过程序完善和调整安装间距，光电开关接收信号安全可靠。