一种无人电机车多模式控制结构与切换方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿山无人有轨运输技术领域，具体地是一种无人电机车多模式控制结构与切换方法。
【背景技术】
[0002]有轨电机车是目前常用的矿石运输工具。传统的电机车运行方式是由驾驶人员在矿井巷道内现场驾驶机车运行，存在工作环境恶劣、危险性大、机车运行受驾驶人员自身技术、责任心、疲劳程度等人为因素影响较大。随着自动化、无线通信等新技术的发展，矿井巷道内的无人化有轨运输开始得到关注。
[0003]无人电机车运输是一项综合采矿、机械、电气、通信、计算机、自动化等多技术领域的系统工程。实现矿井内矿石运输的无人化，一般要求封闭井下巷道，操作人员只需要在地面监控室即可实现电机车的远程控制和状态监视。采用网络或总线的方式，实现监控室与运输巷道现场的数据通信，建立数据链路，实现控制指令和状态信息的上传下达。计算机联锁系统实现机车运行的信集闭，包括进路闭塞、转辙机、信号机控制等。车载控制器实现电机车的状态采集、速度回路控制等底层控制。
[0004]电机车的运行过程主要可以分为装矿、运输、卸矿三个阶段，其中装矿过程是指电机车运行至放矿口处，启动放矿振动机，矿石由溜井落入电机车车厢的过程。卸矿是指电机车运行到卸矿点，矿石从机车车厢底部自动落入卸矿溜井。在装矿点和卸矿点之间属于电机车的运输过程。电机车运输系统的无人化可以是在上述三个过程的全部或者部分过程实现现场无人化操作。此外电机车运输系统的设备状态对无人化的实现也至关重要，当个别环节或设备出现故障时，控制系统必须做出相应的处理，切换到对应的控制模式。
[0005]因此根据无人电机车的任务需求和运行状态，令无人电机车运行于不同的控制模式，是无人电机车控制系统设计的现实需求。多模式控制是指无人电机车控制系统采用不同的控制方式以及相应的控制结构以满足不同的任务要求或电机车运行状态的需要。设计实现多模式控制的关键在于，如何确定和划分控制系统的控制模式，以及如何实现多种控制模式的管理和切换。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种无人电机车多模式控制结构及其切换方法。针对无人电机车的任务需求和自身运行状态，将电机车控制系统设置为不同的控制模式，以及不同模式之间的切换条件和方法。
[0007]本发明提出电机车控制模式分为可相互切换的自主模式、半自主模式、自动模式、手动模式四种。
[0008]自主模式下的电机车根据机车调度系统给定的任务要求进行完全自主运行，全过程不需要操作人员的介入，包括自动放矿、自动卸矿、自动运输的全过程自动化实现。
[0009]半自主模式是指电机车在运输、卸矿阶段处于自主运行状态，不需要操作人员介Λ;在放矿过程，由监控室人员进行远程遥控操作实现。
[0010]自动模式是一种远程遥控模式，操控人员在地面监控室通过遥控装置，远程遥控机车放矿、运输、卸矿，控制电机车运行速度和方向。此种模式下，联锁系统处于工作状态，进路闭塞、转辙机、信号机等设备由联锁系统自动控制。
[0011]手动模式是一种备用的应急控制模式。在手动模式下，电机车控制实现速度回路的闭环，驾驶人员在远程遥控操纵电机车，使得机车按照设定的速度和方向行进。此种模式下，联锁系统不工作，需人工远程遥控信号机、道岔转辙机等设备。
[0012]多模式控制的管理与切换方法。
[0013]根据无人电机车的任务需求和运行状态进行控制模式切换。模式切换可以根据操控人员设置指令实现。自主模式为正常运行模式，当电机车运行系统出现故障时，发出故障提示，由操控人员进行或自动进行模式切换。根据故障的不同，做出不同的应对措施，比如紧急停车，带故障运行，变更运行模式等。
[0014]【附图说明】:
图1:自主模式控制系统结构示意图图2:半自主模式控制系统结构示意图图3:自动模式控制系统结构示意图图4:手动模式控制系统结构示意图【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明的无人电机车多模式控制结构与切换方法作进一步的说明。
[0015]1、无人电机车控制模式设计
I)自主模式
自主模式实现任务级的控制闭环，监控人员只需发送离散的任务指令，电机车则自动完成放矿、运输、卸矿的全运行过程，以及道岔转辙机、信号灯、放矿振动机等设备的联锁控制。如图1所示，联锁控制器接收任务指令和放矿设备、电机车、道轨设备的反馈信息，根据任务要求和系统状态，分别向放矿控制器、机车控制器、道轨设备控制器发送指令信号，构成电机车控制的外回路。这里的任务指令包括选择放矿点、选择卸矿点、运行机车数量等离散指令。放矿控制器实现放矿设备的现场控制，主要是指放矿振动机和出口挡板，同时接受放矿设备的反馈信息。机车控制器接受联锁控制器的指令要求，同时检测电机车运行速度、工作电压、电流等反馈信号，通过控制律计算，向电机车驱动器输出控制量，实现电机车速度控制。道轨设备控制器实现电动转辙机、信号机、道口栅栏等设备的控制，同时接收这些设备反馈的状态信号。放矿控制器、机车控制器和导轨设备控制器各自实现自身的控制闭环，构成控制系统的内回路。
[0016]优选的，连锁控制器由双机热备工业计算机实现，放矿控制器、机车控制器和道轨设备控制器由PLC实现。
[0017]2)半自主模式:
在半自主模式时，部分实现了任务闭环，放矿控制内回路不在联锁控制外回路之中，而是根据操作人员的遥控指令单独实现，放矿过程由操作人员在远程视频监控下进行遥控操作，遥控指令通过数据通道送至放矿现场，驱动放矿振动机工作和电机车移动，实现电机车装矿工序。机车控制器接受联锁控制器输出和遥控指令共同作用，其余工作阶段的电机车运行、卸矿、以及道轨设备均由联锁控制器和各自的内回路控制器实现，不需要人员辅助操作。
[0018]3)自动模式:
自动模式下，操控人员在监控室通过视频监控和系统运行状态，通过远程遥控的方式实现对电机车的运行、放矿和卸矿控制。联锁控制器根据任务指令、电机车的运行位置和速度、以及道轨设备的状态信息，进行道轨设备的联锁控制。
[0019]4)手动模式:
手动模式是一种应急的备用模式，此模式下，操作人员的遥控指令直接给出放矿控制器、机车控制器、道轨设备控制器的期望输入，三个内回路控制器各自实现自身的控制闭环，即操作人员在监控室通过遥控装置对机车运行速度、方向、放矿设备、道轨设备进行直接控制。联锁控制器不参与工作。这里的遥控指令包括机车速度给定、方向给定、放矿振动机震动强度给定、放矿口挡板位置给定等连续的或离散的控制量。
[0020]2、控制模式切换方法:
上述四种控制模式基本涵盖了无人电机车系统运行中的各种控制需求。在实际使用中，操作人员可根据任务需要和工况环境、设备状态进行自主的控制模式选择和切换。
[0021]I)自主模式为正常运行模式，即所有设备正常，工况良好，无人电机车运行控制系统全部正常时，电机车处于自主模式；
2)半自主模式为放矿操作无法自动实现时的控制模式。比如振动机震动不均匀、放矿区定位精度降低、矿石含水量较大、矿石单个体积较大等情况时，自主模式无法保证放矿的准确和安全，此时需由操作人员设置为半自主模式，进行人在回路的放矿过程远程遥控。当故障修复之后可设置返回自主模式。
[0022]3)自动模式是运行任务临时变更、定位系统部分失效等情况下使用，由操作人员在监控室通过操纵装置，依据视频信息，进行电机车的远程遥控行驶。
[0023]4)联锁系统故障，则电机车控制模式设置为手动模式，操作人员远程遥控电机车、转辙机、信号机等设备，实现电机车返回车场。
[0024]5)通信系统故障时，无法实现控制信号的传输，此时电机车进行应急停车。
【主权项】
1.一种面向矿井无人电机车的多模式控制结构与切换方法，其特征在于: 依据电机车运行过程中的自动化程度，将无人电机车的控制系统分为自主模式、半自主模式、自动模式、手动模式四种控制模式； 自主模式，控制系统实现任务级闭环，监控人员只需发送离散的任务指令，电机车自动完成放矿、运输、卸矿的全运行过程，以及道岔转辙机、信号灯、放矿振动机等设备的联锁控制; 半自主模式，部分实现任务闭环，电机车运行和道轨设备通过联锁控制器和各自的内回路控制器实现自动行驶;放矿过程则是根据操作人员的遥控指令远程遥控实现； 自动模式，操作人员通过遥控的方式实现对电机车的运行和放矿控制；联锁控制器根据任务指令、电机车的运行位置和速度、以及道轨设备的状态信息，进行道轨设备的联锁控制; 手动模式是操作人员通过遥控指令直接给出放矿控制器、机车控制器、道轨设备控制器的期望输入，即直接对机车运行速度、方向、放矿设备、道轨设备进行控制； 操作人员根据任务需求、工况环境、系统状态等因素，进行控制模式选择和切换；自主模式为正常运行模式，半自主模式为自动放矿条件不允许情况下的控制模式；自动模式和手动模式分别指电机车系统出现不同程度故障时的备用控制模式。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于无人电机车的多模式控制结构以及切换方法。将无人电机车的控制系统分为自主模式、半自主模式、自动模式、手动模式四种。自主模式为正常运行模式，控制系统实现任务级闭环，操作人员只需发送离散的任务指令，自动完成放矿、运输、卸矿全过程，以及道轨设备的控制；半自主模式，部分实现任务闭环，电机车运行和道轨设备通过联锁控制器和各自的内回路控制器实现自动行驶；放矿过程通过操作人员远程遥控实现；自动模式和手动模式分别指电机车系统出现不同程度故障时的应急备用控制模式。操作人员可以根据任务需求、工况环境、系统状态等因素，进行控制模式选择和切换。
【IPC分类】G05B19/048
【公开号】CN105676760
【申请号】CN201610026624
【发明人】李猛, 王中华, 王冬雪
【申请人】济南大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月17日