礦用無軌膠輪車定位及溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

張文彬

（晉能集團(tuán)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著無軌膠輪車在煤礦井下運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，如何保障車輛井下運(yùn)行安全成為煤礦企業(yè)面臨的重要問題。一方面準(zhǔn)確獲取無軌膠輪車位置信息是保障其運(yùn)行安全的基礎(chǔ)和前提[1-2]。另一方面，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，易燃爆炸性氣體含量相對較高，如果無軌膠輪車運(yùn)行溫度太高導(dǎo)致起火[3]，所以應(yīng)對車輛運(yùn)行過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測[4]。本文結(jié)合煤礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究了無軌膠輪車定位及溫度檢測系統(tǒng)。

1 定位及溫度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于礦井覆蓋面積比較廣，需要對整個(gè)礦井進(jìn)行不同區(qū)域劃分，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)分站，通過該分站收集該區(qū)域內(nèi)無軌膠輪車的位置和溫度信息。各分站將收集得到的信息傳輸至地面監(jiān)控中心。分站需要完成的任務(wù)主要包括兩點(diǎn)：第一，對該區(qū)域內(nèi)的無軌膠輪車位置信息進(jìn)行收集，判斷位置信號的強(qiáng)弱；第二，對無軌膠輪車溫度信息進(jìn)行收集。需要收集的溫度信息包括發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度、排氣筒表面溫度、冷卻水溫度以及機(jī)油溫度。如圖1所示為無軌膠輪車定位及溫度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

由于無軌膠輪車在工作過程中絕大部分時(shí)間都處于移動狀態(tài)。因此必須使用無線通訊模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。將信號發(fā)射系統(tǒng)安裝在無軌膠輪車車體上，工作時(shí)會周期性地向外界發(fā)射包含有位置和溫度信息的信號。在整個(gè)礦井范圍內(nèi)裝設(shè)大量的信號接收系統(tǒng)，根據(jù)車輛發(fā)射出的信號結(jié)合相關(guān)理論算法，能夠計(jì)算得到車輛的位置信息。為實(shí)現(xiàn)車輛溫度檢測，需要在待檢測部位裝設(shè)溫度傳感器，并且將傳感器與車載信號發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行連接，溫度傳感器檢測得到的溫度數(shù)據(jù)信息可以與位置信號一同發(fā)射出去。

圖1 無軌膠輪車定位及溫度檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 定位及溫度檢測系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 地面監(jiān)控中心設(shè)備選型

地面監(jiān)控中心的作用是根據(jù)分站上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷，掌握無軌膠輪車的位置信息以及車輛關(guān)鍵部位的溫度情況。將這些數(shù)據(jù)信息與正常值進(jìn)行比較，檢測發(fā)現(xiàn)是否存在故障問題。本系統(tǒng)中選用的主站控制器型號為610-H/L，該控制器具有非常好的拓展性，I/O接口豐富。且支持多種形式的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。能夠滿足本檢測系統(tǒng)的使用需要。

2.2 井下分站處理器選型

井下分站是連接無軌膠輪車與地面監(jiān)控中心的橋梁。不僅要對無軌膠輪車的位置和溫度信息進(jìn)行收集，還要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。可供選用的處理器包括PLC和單片機(jī)。考慮到煤礦環(huán)境復(fù)雜，最終選用性能更穩(wěn)定的PLC作為井下分站處理器，具體型號為S7-200SMART。該型號PLC使用方便且具有豐富的I/O接口，可通過以太網(wǎng)接口直接與地面監(jiān)控中心主站連接，實(shí)現(xiàn)RS485通信。

2.3 定位模塊設(shè)計(jì)

無軌膠輪車定位模塊包含兩大部分，其一為安裝在車體上的信號發(fā)射系統(tǒng)，其二為安裝在礦井內(nèi)的信號接收系統(tǒng)。信號發(fā)射系統(tǒng)不斷地向外界發(fā)出車輛位置信息以及通過溫度傳感器檢測得到的溫度信息。信號接收系統(tǒng)接受位置和溫度信號，并對位置信號強(qiáng)度值進(jìn)行判斷，然后將數(shù)據(jù)信息一并傳輸給地面監(jiān)控中心。

無軌膠輪車工作時(shí)絕大部分時(shí)間在移動，所以信號發(fā)射系統(tǒng)和信號接收系統(tǒng)之間通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。定位模塊選用基于ZigBee技術(shù)中的CC2530芯片，該型號芯片CPU屬于增強(qiáng)型，性能更優(yōu)，內(nèi)置有無線收發(fā)器。其優(yōu)勢表現(xiàn)在：良好的抗干擾能力能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕砷_展RSSI定位算法工作。以CC2530芯片為核心結(jié)合其他輔助設(shè)備就構(gòu)成了定位模塊。所有的數(shù)據(jù)信息都會帶有車輛ID編號。如圖2所示為無軌膠輪車定位模塊無線傳輸方式示意圖。

圖2 無軌膠輪車定位模塊無線傳輸方式示意圖

2.4 溫度檢測模塊設(shè)計(jì)

車輛關(guān)鍵部位溫度檢測選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，由美國公司生產(chǎn)。這款溫度傳感器具有顯著的優(yōu)勢，體積較小，可直接與控制器連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的通信。能夠同時(shí)對多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測，從而提升溫度檢測精度。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明該型號數(shù)字溫度傳感器在-65～185℃范圍內(nèi)都具有非常高的測量精度。可將檢測得到的模擬量信號直接轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號進(jìn)行輸出。如圖3所示為DS18B20數(shù)字溫度傳感器電路引腳圖。

3 定位及溫度檢測系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 地面監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

井下分站通過網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)與地面監(jiān)控中心的連接，將收集得到的車輛位置和溫度信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、顯示和分析。涉及到的軟件程序主要包含：

1）通信程序。分站和地面監(jiān)控中心之間的通訊是整個(gè)檢測系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)具備自檢功能，能檢測通信網(wǎng)絡(luò)是否存在故障問題。如果存在問題系統(tǒng)會發(fā)生警報(bào)，提示操作人員進(jìn)行故障排除。

圖3 DS18B20數(shù)字溫度傳感器電路引腳圖

2）數(shù)據(jù)處理程序。將上傳的車輛位置和溫度信息進(jìn)行分析處理，檢測車輛位置，判別溫度是否正常。并且將處理分析結(jié)果在上位機(jī)顯示器上進(jìn)行顯示，以便工作人員查看。為了不發(fā)生遺漏現(xiàn)象，需要依次對所有車輛信息進(jìn)行處理。對于溫度處理部分，發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度、排氣筒表面溫度、冷卻水溫度以及機(jī)油溫度的正常范圍分別為≤150℃、≤150℃、≤95℃、≤125℃。當(dāng)系統(tǒng)檢測溫度超過這些安全范圍后就會發(fā)出警報(bào)，提示工作人員。

3）人工干預(yù)程序。兩種情況下需要啟動人工干預(yù)程序。第一為檢測發(fā)現(xiàn)車輛存在故障；第二為礦井內(nèi)部出現(xiàn)突發(fā)安全問題。可以通過人工干預(yù)的方式對車輛進(jìn)行控制，使其無法運(yùn)行。

3.2 井下分站軟件設(shè)計(jì)

1）信號發(fā)射系統(tǒng)程序。核心模塊為CC2530芯片。軟件程序開始運(yùn)行后，程序?qū)@取車輛位置信息以及溫度信息，按照設(shè)定的周期向外廣播數(shù)據(jù)信息信號，信號中包含有車輛ID編號。

2）信號接收系統(tǒng)程序。信號接收系統(tǒng)在得到車輛信息后，首先要對位置信號強(qiáng)度值進(jìn)行判斷，然后再將數(shù)據(jù)以及信號強(qiáng)度值判斷結(jié)果傳輸至井下分站。

3）分站控制器程序。井下分站需要對車輛位置信息以及行駛方向進(jìn)行判斷。如圖4所示為無軌膠輪車定位計(jì)算判斷流程圖。井下分站接受到車輛信息后，將這些數(shù)據(jù)信息存儲到緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)接收到同一車輛信息超過三個(gè)以后。系統(tǒng)就會從中挑選出三個(gè)信號強(qiáng)度最好的數(shù)據(jù)信息，通過三角質(zhì)心算法進(jìn)行分析處理，獲得車輛定位信息。準(zhǔn)確獲知車輛行駛方向同樣是車輛定位的重要內(nèi)容之一，信號接收系統(tǒng)判斷得到的信號強(qiáng)度值能夠反映其與車輛之間的距離遠(yuǎn)近。通過比較前后兩次的位置信號強(qiáng)度值，就能判斷車輛行駛方向。如果信號越來越強(qiáng)則說明車輛在不斷靠近，相反則表示車輛在遠(yuǎn)離。

圖4 無軌膠輪車定位計(jì)算判斷流程圖

4）溫度檢測程序設(shè)計(jì)。需要收集的溫度信息包括發(fā)動機(jī)機(jī)體溫度、排氣筒表面溫度、冷卻水溫度以及機(jī)油溫度。在這些待檢測的區(qū)域分別安裝DS18B20測溫傳感器。該型號傳感器在正常工作時(shí)，首先需要進(jìn)行初始化處理，初始化主要是對傳感器進(jìn)行自檢，如果一切正常就開始對溫度進(jìn)行檢測，檢測得到的模擬量信號會自動轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量信號然后傳輸至車載信號發(fā)射系統(tǒng)。

4 結(jié)語

無軌膠輪車以其顯著的優(yōu)勢在煤礦運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但其運(yùn)行過程中的安全問題同樣越來越受到煤礦企業(yè)的關(guān)注。應(yīng)用定位和溫度檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測車輛的位置信息以及車輛發(fā)動機(jī)機(jī)體、排氣筒表面、冷卻水以及機(jī)油等關(guān)鍵部位的溫度信息，從而保障車輛運(yùn)行的可靠性和安全性。