礦用膠輪車調度分站定位監控系統設計與應用

田瑞翔

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

引言

礦用膠輪車作為煤炭井下工作面內較為重要的輔助運輸車輛之一，其能否可靠工作不僅關系著駕駛司機的生命安全，還與煤炭的產量和效率有著重大關系，現已引起了煤炭行業的廣泛關注[1-3]。調度系統的主要作用是保證膠輪車安全有序規范工作，提高工作的效率，以可靠完成輸送任務[4]。一般調度系統由地面主站和井下分站組成，其中分站系統工作過程中負責與地面主站進行數據傳輸工作，同時，采集匯總井下各個監測點的實時數據，是監控功能得以實現的重要紐帶[5-6]。因此針對某煤炭企業膠輪車調度分站定位監控系統的功能需求現狀，開展分站系統的設計與應用工作，對于提高膠輪車的安全性和工作效率具有重要的意義。

1 功能需求分析

調度系統分站設計功能依據煤礦實際生產環境確定，具體涉及如下功能：第一是車輛定位，實時顯示井下膠輪車的位置；第二是自動控制與調度，避免膠輪車運行時之間的干涉與碰撞，能夠遠程控制信號燈顏色變化，指導井下膠輪車及時確定自己應該運行的方向及任務；第三是井下膠輪車實時運行數據的上傳，分站采集得到的數據經過交換機可以實時傳輸至主站進行顯示，供礦區服務器隨時查看。

2 方案設計

根據礦用膠輪車調度系統的功能需求完成了整體方案設計工作，如圖1 所示，主要包括主站和分站兩部分。主站包括工控機、顯示器、交換機等，實現膠輪車運行軌跡和狀態信號的顯示，傳輸控制信號實現遠程控制，通信借助以太網完成。

圖1 膠輪車調度系統總體方案

分站作為調度系統整體結構的重要組成部分，其功能可否實現關系整個調度系統的正常運行，其不僅負責采集分析膠輪車的位置信息，還兼顧與主站之間信息數據的傳輸工作。與此同時，接收主站指令，實現信號燈的遠程控制，達到閉鎖功能。調度系統監控分站方案如圖2 所示，可以看出，主站與分站之間通信采用以太網，分站與膠輪車之間通信采用無線通訊，起著承上啟下的過渡作用。

圖2 調度系統監控分站方案

3 分站設計

3.1 硬件設計

3.1.1 控制器選型

調度系統分站控制器選擇PLC，最好自帶以太網通信接口，同時考慮到系統輸出控制模塊較少，確定使用S7-200smart 系列PLC。該PLC 能夠很好地適應煤炭井下較為惡劣的服役環境，具有工作穩定可靠，抗干擾能力強的優勢，能夠滿足系統設計的要求。

3.1.2 位置識別模塊

位置識別模塊涉及參考節點模塊和移動節點模塊兩個部分，參考節點指的是坐標已知的點，在煤炭巷道內部存在固定的位置。參考節點模塊組成包括CC2430 芯片和外圍模塊，其中CC2430 芯片集成了收發器、MCU（8051）開發環境、大小為8KB 的RAM、64 位可編程內存，同時還能直接使用ZigBee協議。移動節點模塊置于膠輪車中，配置獨立的電源，采用了CC2431 芯片，內置定位功能模塊，其結構組成如圖3 所示。

圖3 移動節點結構

3.1.3 環境檢測模塊

調度系統分站環境監測模塊涉及有害氣體和溫度的檢測，此處選擇型號為MQ-2 的化學式氣體濃度傳感器，工作原理是有害氣體與傳感器內部面板發生化學反應，檢測氣體濃度越高，面板的導電率越高。溫度檢測使用DS18B20 模塊，配置3 個引腳，分別為電源、接地和數據引腳。DS18B20 通信使用串行模式，數據的存取使用一組I/O 接口，配線簡單，使用較為穩定可靠。

3.1.4 網關模塊

ZigBee 采集得到的數據借助以太網傳輸至系統主站，其中需要網關轉換才能實現。此處選取ZBNET-300C-U 網關，能夠快速完成ZigBee 網絡與以太網的傳輸轉換工作，實現遠程ZigBee 控制和數據采集的目標。膠輪車采用ZigBee 芯片，靈敏度高、覆蓋面廣，配合10 Mbps/100 Mbps以太網接口應用，足以滿足系統分站的數據傳輸要求。

3.2 軟件設計

3.2.1 分站主程序

調度系統要求實現井下膠輪車實時數據的采集，數據采集時間間隔設置為0.1 s，每隔0.1 s 由分站向主站傳輸膠輪車的位置和信號燈實時數據，監控人員可以根據實時監測數據發出控制指令，實現膠輪車遠程調度與控制功能。調度系統分站主程序如圖4 所示，系統啟動先進行初始化，之后采集膠輪車實際運動狀態，采集得到的數據為空時反復查詢。當控制器檢測得到井下膠輪車的位置信息之后經以太網傳輸至主站，若主站需要調度控制，對控制器可以發出對應的指令。

圖4 監控系統分站主程序

3.2.2 定位程序

地位程序的功能是計算得到井下膠輪車的位置坐標，即移動節點位置數據。計算的前提是求解移動節點至鄰近3 個參考節點的距離，需要已知這3 個參考節點的坐標值。其中移動節點本身能夠完成移動節點和3 個參考節點之間距離的計算，之后運用三角質心算法得到移動節點位置坐標。定位程序如下頁圖5 所示。

圖5 定位程序

3.2.3 人機交互界面

人機交互界面作為調度系統分站中的重要組成部分，主要實時顯示井下膠輪車的實時運存數據供監控人員觀察，監控人員可以根據實時數據對井下膠輪車進行遠程的控制。膠輪車監控分站基于PLC控制器設計而成，其監控畫面如下頁圖6 所示。由圖6 可以看出，系統參考節點均勻分布于巷道內部，信號燈布置于避酮室兩端，達到區段閉鎖與同行的控制，顯示膠輪車的實時數據信息。因系統需要適應不同巷道，界面實時顯示了巷道參數與編號。對巷道環境監測得到的有害氣體濃度和溫度也進行了實時顯示，并配置了對應的參數超標報警功能，報警信息可以在監控畫面上進行顯示。

圖6 分站系統監控界面

4 應用效果評價

為了驗證膠輪車調度分站定位監控系統的設計效果，將其應用于某煤炭企業膠輪車調度系統進行試運行，進行為期半年的跟蹤記錄，結果表明，系統運行穩定可靠，能夠滿足煤礦井下膠輪車的實時定位與遠程調度的要求。統計結果顯示，相較于原調度系統，新設計分站系統投入使用后，膠輪車調度系統的定位精度提高了近3%，保證了較快的響應速率，改善了膠輪車工作混亂的情況，增加了膠輪車近6%的有效作業時間，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益60 萬元/年，取得了很好的應用效果。

5 結語

膠輪車作為煤炭掘進工作面內重要的輔助輸送設備，其調度工作效率要求較高。針對某煤炭企業膠輪車調度分站定位監控系統的功能需求現狀，開展分站系統的設計工作，結果表明，分站監控系統工作穩定可靠，滿足膠輪車準確定位與快速響應的要求。應用新設計的調度分站監控系統，提高了近3%的膠輪車定位精度，保證了較快的響應速率，改善了膠輪車工作混亂的情況，膠輪車的有效作業時間增加了近6%，降低了煤炭生產成本，為煤炭企業新增經濟效益60 萬元/年。