煤礦無(wú)軌膠輪車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓鵬海

（同煤集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)為“富煤、貧油、少氣”，雖然近些年來(lái)大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能和核能等新能源，但是由于技術(shù)不成熟與效率低下等問(wèn)題，煤炭仍然是我國(guó)的主要能源之一[1]。國(guó)家能源部申明，在未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭主體地位不會(huì)動(dòng)搖[2]。井下運(yùn)輸系統(tǒng)作為煤炭生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著煤炭、矸石、工作人員與設(shè)備的運(yùn)輸工作[3]。無(wú)軌膠輪車為井下一種輔助運(yùn)輸方式，具有體積小、操作靈活、不受軌道限制等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)輸效率相對(duì)于有軌小車高5 倍左右，具有很好的應(yīng)用前途。井下巷道網(wǎng)絡(luò)愈發(fā)復(fù)雜，使得無(wú)軌膠輪車的調(diào)度監(jiān)控工作變得相對(duì)困難，容易發(fā)生井下交通擁擠與安全事故。所以設(shè)計(jì)一種煤礦無(wú)軌膠輪車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，方便井上工作人員對(duì)井下車輛的調(diào)度，提高工作效率。

1 系統(tǒng)整體功能要求

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可以分為井上部分與井下部分。井上部分即井上調(diào)度室，主要功能：可視化人機(jī)交互功能，井下車輛信息可實(shí)時(shí)、直觀地顯示于井上設(shè)備，便于井上工作人員統(tǒng)一調(diào)度；存儲(chǔ)功能，將車輛的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)保存，方便后期查閱及打印；井下控制功能，在井下有事故或突發(fā)情況時(shí)，調(diào)度人員可人為的控制信號(hào)燈，并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

井下部分中的控制分站為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)“承上啟下”的組成部分，負(fù)責(zé)井下各區(qū)段分站的控制，同時(shí)接收井上的控制信號(hào)。控制分站主要具備以下幾個(gè)功能：車輛工況檢測(cè)功能，對(duì)井下各膠輪車的車速、油溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，到達(dá)地面后檢查維修；定位功能，可對(duì)井下各車輛實(shí)時(shí)定位。自動(dòng)控制功能，根據(jù)車輛執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，對(duì)各車輛的行駛速度與行駛路線進(jìn)行調(diào)整，車輛會(huì)車時(shí)，低優(yōu)先級(jí)車輛應(yīng)進(jìn)入避車室避讓；各車輛之間保持安全車距，發(fā)生故障、交通擁擠時(shí)，應(yīng)及時(shí)疏散，并控制其他車輛避開(kāi)事故區(qū)段。

2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)整體方案如圖1 所示，其中井上部分由監(jiān)控主機(jī)、顯示器、存儲(chǔ)器、打印機(jī)等設(shè)備組成，井下部分由控制分站、交換機(jī)、區(qū)段分站、檢測(cè)裝置、信號(hào)燈與無(wú)線節(jié)點(diǎn)等組成，其中井下控制分站與井上監(jiān)控主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接。膠輪車裝設(shè)有檢測(cè)裝置與無(wú)線發(fā)射器，其中檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛的位置信息、速度信息、油壓信息與油溫信息等，無(wú)線發(fā)射裝置負(fù)責(zé)將檢測(cè)到的信息傳輸?shù)絽^(qū)段分站的無(wú)線接收裝置。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 控制分站設(shè)備的選型

井下控制分站根據(jù)膠輪車傳輸回的信息，通過(guò)控制信號(hào)燈，完成膠輪車的統(tǒng)一調(diào)度工作，并與井上監(jiān)控主站進(jìn)行信息傳輸共享。本文選用的控制分站處理器為S7-300PLC，具有適應(yīng)性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單與穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)處理各種交互信息。S7-300PLC 控制器具有較多I/O 接口，可滿足系統(tǒng)的外部設(shè)備接入與擴(kuò)展需求。本文選用KJJ18 礦用核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)RS485 與以太網(wǎng)之間的信息轉(zhuǎn)換。KJJ18 礦用交換機(jī)的工作溫度為0～40 ℃，濕度＜96%，支持雙全工。

3.2 車輛信息采集裝置的設(shè)計(jì)選型

本文選用礦用機(jī)車監(jiān)測(cè)保護(hù)儀對(duì)膠輪車的車速、油溫、油壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并存盤(pán)記錄，當(dāng)某個(gè)工作參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，儀器將立即報(bào)警，提醒工作人員及司機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行及時(shí)的維修。監(jiān)測(cè)保護(hù)儀的工作電源為DC20V～30V，額定工作電流200 mA，適應(yīng)工作溫度-20～75 ℃，工作壓強(qiáng)為80～110 kPa，車速檢測(cè)范圍0～100 km/h。

車輛定位功能主要通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)完成，無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)安裝與膠輪車上，實(shí)時(shí)向區(qū)段分站無(wú)線接收裝置發(fā)送車輛的工況信息，包括檢測(cè)裝置測(cè)量數(shù)據(jù)、車輛位置信息、行駛方向等。無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)又稱為參考節(jié)點(diǎn)，安裝于煤礦巷道的墻壁上，其位置信息已知。本文采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下的無(wú)線通訊，選用CC2530 芯片與其他外部設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。CC2530 芯片具有功耗低、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，支持定位功能，滿足監(jiān)控系統(tǒng)與井下環(huán)境的需求。系統(tǒng)通過(guò)將無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)編號(hào)，保證車輛編號(hào)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，將采集到的信息及時(shí)傳輸?shù)絽^(qū)段監(jiān)控分站，計(jì)算處理得到車輛的具體位置與各工作參數(shù)。

3.3 井下信號(hào)燈的布置設(shè)計(jì)

由于井下光線較暗，彎道較多，膠輪車司機(jī)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避讓其他車輛，所以需要通過(guò)信號(hào)燈指引司機(jī)。通常信號(hào)燈安裝于車輛行駛方向的右側(cè)墻壁上，每一個(gè)方向的信號(hào)燈控制該方向行駛的車輛。為避免車輛擁擠碰撞，信號(hào)燈安裝于避車室附近，當(dāng)信號(hào)燈為綠燈時(shí)，車輛正常行駛，無(wú)需避讓；當(dāng)信號(hào)燈為紅燈時(shí)，車輛禁止繼續(xù)前行，進(jìn)入附近避車室避讓。當(dāng)車輛行駛在三岔道口與十字路口時(shí)，信號(hào)燈應(yīng)當(dāng)指引車輛直行、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。系統(tǒng)在車輛進(jìn)入之前，檢測(cè)附近車輛的位置信息，通過(guò)控制策略與車輛優(yōu)先級(jí)順序控制信號(hào)燈狀態(tài)，進(jìn)而合理安排車輛運(yùn)行。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

煤礦膠輪車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主要是方便井上工作人員對(duì)井下膠輪車運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛運(yùn)行故障，統(tǒng)一調(diào)度指揮各車輛更加高效地完成運(yùn)送任務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2 所示，系統(tǒng)初始化，自檢無(wú)故障后，統(tǒng)一設(shè)置井下信號(hào)燈為綠色，方便車輛迅速通過(guò)。系統(tǒng)運(yùn)行信息采集程序，檢測(cè)車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體包括車輛的行駛速度、油壓與油溫等，判斷車輛是否發(fā)生故障，當(dāng)某一工作參數(shù)超過(guò)設(shè)定闕值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，待車輛上井后應(yīng)及時(shí)檢查維修。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行車倆定位子程序，通過(guò)RSSI 定位法，測(cè)量相鄰兩個(gè)無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)之間的RSSI 值，計(jì)算得到區(qū)段內(nèi)車輛的位置信息。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到狹窄巷道內(nèi)發(fā)生會(huì)車時(shí)，通過(guò)車輛編號(hào)得到各車輛執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，設(shè)置巷道內(nèi)信號(hào)燈狀態(tài)，使得任務(wù)優(yōu)先級(jí)高的車輛優(yōu)先通過(guò)，優(yōu)先級(jí)低的車輛及時(shí)避讓。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到三岔道口或十字路口車輛通過(guò)數(shù)≥2，且車輛行駛方向相對(duì)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)燈控制子程序，根據(jù)車輛任務(wù)優(yōu)先級(jí)順序，設(shè)置路口信號(hào)燈狀態(tài)，指引車輛有序直行、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用循環(huán)自檢結(jié)構(gòu)，當(dāng)狹窄巷道與路口無(wú)上述情況時(shí)，區(qū)段內(nèi)信號(hào)燈全部設(shè)置為綠色，保證井下運(yùn)輸?shù)母咝浴?/p>

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 的煤礦無(wú)軌膠輪車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)，可實(shí)時(shí)采集各車輛的工作參數(shù)與位置信息，為及時(shí)對(duì)車輛故障進(jìn)行維修提供依據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)車輛位置信息，控制改變信號(hào)燈的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下膠輪車的統(tǒng)一調(diào)度，提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的效率，有效降低了交通堵塞與碰撞事故發(fā)生的概率。