礦用無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的設計與應用研究

孫 俊

（晉能控股煤業(yè)集團四老溝礦大型設備管理隊，山西 大同 037000）

引言

隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，采煤效率越來越高，對煤礦運輸系統(tǒng)要求也越來越高，煤礦中使用的有軌運輸系統(tǒng)，其劣勢逐漸顯露[1]。無軌膠輪車作為煤礦領(lǐng)域非常重要的輔助運輸設備，不需要受到軌道的限制，使用時具有很大的靈活性，在煤礦領(lǐng)域得到了很廣泛的應用，在提升運輸效率方面發(fā)揮著非常重要的作用[2-3]。但是煤礦井下工作環(huán)境較為復雜，巷道通常比較狹窄，如果調(diào)度不當可能導致無軌膠輪車在礦井內(nèi)發(fā)生堵塞等問題，嚴重時可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故[4]。基于此應充分結(jié)合煤礦巷道實際情況，設計研究無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)，以便實時掌握礦井內(nèi)無軌膠輪車的運行狀態(tài)，并對其運行軌跡進行調(diào)度，保障礦井運輸安全[5-6]。

1 調(diào)度系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

圖1為設計研究的礦用無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可以看出，調(diào)度系統(tǒng)整體上可以劃分成為兩大部分，分別為井上和井下部分。井下部分的作用主要是完成井下無軌膠輪車的定位以及信息的檢測、上傳等功能，主要由檢測節(jié)點、移動節(jié)點、信號燈、傳感器等部分構(gòu)成。通過傳感器檢測車輛的位置信息，并充分結(jié)合礦井內(nèi)部其他區(qū)域的車輛信息情況，判斷車輛能否安全通過下一個區(qū)間，并通過信號燈來控制無軌膠輪車的停止與運行。井上部分的作用主要是對井下所有無軌膠輪車的運行狀態(tài)進行記錄并顯示，同時還需要對井下各分站以及信號燈進行控制。

圖1 無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

無軌膠輪車的調(diào)度全部由系統(tǒng)自動控制，正常情況下無需人為干預，特殊情況下可以通過人為方式進行控制。通過井上部分和井下部分之間的相互協(xié)調(diào)工作，使得工作人員能對井下所有車輛的運行軌跡進行充分掌握。調(diào)度系統(tǒng)的應用能夠?qū)崿F(xiàn)礦井無軌膠輪車的自動化控制和可視化。

2 調(diào)度系統(tǒng)主要硬件設施選型

2.1 井上控制主站選型

井上控制主站的作用是接受井下部分的車輛信息，并對所有車輛信息進行綜合判斷分析，結(jié)合控制策略下達控制指令，對井下分站以及所有信號燈進行控制，實現(xiàn)無軌膠輪車的調(diào)度。結(jié)合實際情況選用的井上控制主站型號為610-H/L，該型號設備具有非常豐富的I/O接口，可以很好地與其他硬件設施進行連接，實現(xiàn)功能的拓展，對數(shù)據(jù)處理的能力也能夠滿足實際使用需要。

2.2 井下控制分站處理器選型

井下控制分站處理器的作用是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息分析判斷車輛的具體位置，并根據(jù)井上控制主站下達的控制指令對無軌膠輪車進行控制。選用的處理器型號為西門子公司研制生產(chǎn)的S7-200型PLC控制器，該型號控制器具有穩(wěn)定的功能，且有豐富的I/O拓展接口，能夠通過多種網(wǎng)絡模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應用，已經(jīng)得到了實踐的檢驗。

2.3 無軌膠輪車定位模塊選型

定位模塊主要由兩部分構(gòu)成，分別為檢測節(jié)點和移動節(jié)點，檢測節(jié)點安裝在煤礦巷道固定位置上，移動節(jié)點車放置在無軌膠輪車上，移動節(jié)點的位置即為無軌膠輪車的位置。工作過程中，移動節(jié)點將車輛相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括運行速度、油溫、ID編號等向外發(fā)射，檢測節(jié)點接受移動節(jié)點發(fā)射的數(shù)據(jù)信號。由于兩個節(jié)點之間需要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，因此選用的是CC2530型芯片作為定位模塊的處理器，該型號處理器內(nèi)置有ZigBee協(xié)議，可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。圖2所示為無軌膠輪車定位模塊的工作示意圖。

圖2 無軌膠輪車定位模塊工作示意圖

2.4 車輛信息檢測模塊選型

為了保障無軌膠輪車在井下的運行安全，有必要對車輛的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行檢測，主要檢測的信息包括運行速度、油溫、油壓以及環(huán)境瓦斯?jié)舛取＝Y(jié)合實際情況選用柴油機車保護監(jiān)測儀對上述信息進行檢測，具體型號為YE0.3/24。該型號監(jiān)測儀工作時的電流和電壓分別為300 mA和DC 15~30V。

3 調(diào)度系統(tǒng)的軟件設計

調(diào)度系統(tǒng)軟件部分是整個系統(tǒng)的靈魂所在，是實現(xiàn)各項功能最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)中井下軟件程序最為關(guān)鍵，以下主要對該部分軟件程序進行介紹。井下部分的主要作用是獲取無軌膠輪車的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進行分析并判斷車輛的具體位置及其運動方向。同時根據(jù)井上部分下達的控制指令對信號燈進行控制。井下所有硬件模塊都要配套使用軟件程序才能實現(xiàn)各項功能。圖3為井下部分軟件整體構(gòu)成框圖。

圖3 井下部分軟件整體構(gòu)成

圖中，最重要的是對無軌膠輪車的定位及其運動方向的判斷，圖4所示為無軌膠輪車的定位方法基本流程圖。調(diào)度系統(tǒng)工作時檢測節(jié)點會不斷地接收移動節(jié)點發(fā)射的信號數(shù)據(jù)。當接受到同一移動節(jié)點發(fā)射的三個數(shù)據(jù)信號時，可以從中篩選出信號強度最大的三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都對應有一個確定的RSSI值，該數(shù)值大小決定了移動節(jié)點和檢測節(jié)點之間的距離。系統(tǒng)可以根據(jù)RSSI值計算得到兩者之間的距離，在此基礎(chǔ)上根據(jù)三角質(zhì)心算法來確定移動節(jié)點的三維坐標，即車輛的具體位置。

圖4 無軌膠輪車定位方法流程圖

在判斷無軌膠輪車移動方向時，主要是根據(jù)固定檢測節(jié)點和移動節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸時的RSSI值大小進行判斷。如果隨著時間推移RSSI值越來越小，意味著兩者的距離越來越遠，相反的，若RSSI值越來越大，則表示兩者之間的距離越來越小。在此基礎(chǔ)上可以判斷車輛的移動方向。

4 調(diào)度系統(tǒng)的實踐應用分析

將設計的無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)應用到煤礦工程實踐中，并對其各項功能進行了連續(xù)三個月時間的測試和驗證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)取得了很好的實踐應用效果，可以對礦井內(nèi)的無軌膠輪車進行準確定位，在此基礎(chǔ)上對信號燈進行準確控制，實現(xiàn)車輛的高效調(diào)度。同時，位于井上部分的服務器可以對所有車輛信息進行存儲，在監(jiān)控顯示屏中顯示車輛的運行軌跡。在系統(tǒng)管理層面，所有用戶都需要通過賬號和密碼才能進入系統(tǒng)，操作日志自動保存，系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可以調(diào)取查看。利用調(diào)度系統(tǒng)可以對礦井中使用的無軌膠輪車進行高效管理，比如可以對車輛進行登記、查詢等。無軌膠輪車運行過程中如果存在違章情況，比如占道、不按信號燈指示運行等情況時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光警報以提示相關(guān)人員，從而保障無軌膠輪車的運行安全。無軌膠輪車調(diào)度系統(tǒng)的成功實踐應用，不僅顯著提升了車輛的運行效率，同時還在很大程度上保障了礦井安全，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和安全效益，得到了礦井人員的一致認可。