礦用膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

田瑞翔

（山西天地王坡煤業(yè)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(nèi)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(chǎn)量和效率有著重大關系，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關注[1-3]。調(diào)度系統(tǒng)的主要作用是保證膠輪車安全有序規(guī)范工作，提高工作的效率，以可靠完成輸送任務[4]。一般調(diào)度系統(tǒng)由地面主站和井下分站組成，其中分站系統(tǒng)工作過程中負責與地面主站進行數(shù)據(jù)傳輸工作，同時，采集匯總井下各個監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，是監(jiān)控功能得以實現(xiàn)的重要紐帶[5-6]。因此針對某煤炭企業(yè)膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求現(xiàn)狀，開展分站系統(tǒng)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(diào)度系統(tǒng)分站設計功能依據(jù)煤礦實際生產(chǎn)環(huán)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(diào)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(shù)據(jù)的上傳，分站采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機可以實時傳輸至主站進行顯示，供礦區(qū)服務器隨時查看。

2 方案設計

根據(jù)礦用膠輪車調(diào)度系統(tǒng)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(xiàn)膠輪車運行軌跡和狀態(tài)信號的顯示，傳輸控制信號實現(xiàn)遠程控制，通信借助以太網(wǎng)完成。

圖1 膠輪車調(diào)度系統(tǒng)總體方案

分站作為調(diào)度系統(tǒng)整體結構的重要組成部分，其功能可否實現(xiàn)關系整個調(diào)度系統(tǒng)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(shù)據(jù)的傳輸工作。與此同時，接收主站指令，實現(xiàn)信號燈的遠程控制，達到閉鎖功能。調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)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(wǎng)，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(diào)度系統(tǒng)監(jiān)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(diào)度系統(tǒng)分站控制器選擇PLC，最好自帶以太網(wǎng)通信接口，同時考慮到系統(tǒng)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(huán)境，具有工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強的優(yōu)勢，能夠滿足系統(tǒng)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(jié)點模塊和移動節(jié)點模塊兩個部分，參考節(jié)點指的是坐標已知的點，在煤炭巷道內(nèi)部存在固定的位置。參考節(jié)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(fā)器、MCU（8051）開發(fā)環(huán)境、大小為8KB 的RAM、64 位可編程內(nèi)存，同時還能直接使用ZigBee協(xié)議。移動節(jié)點模塊置于膠輪車中，配置獨立的電源，采用了CC2431 芯片，內(nèi)置定位功能模塊，其結構組成如圖3 所示。

圖3 移動節(jié)點結構

3.1.3 環(huán)境檢測模塊

調(diào)度系統(tǒng)分站環(huán)境監(jiān)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(nèi)部面板發(fā)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(shù)據(jù)引腳。DS18B20 通信使用串行模式，數(shù)據(jù)的存取使用一組I/O 接口，配線簡單，使用較為穩(wěn)定可靠。

3.1.4 網(wǎng)關模塊

ZigBee 采集得到的數(shù)據(jù)借助以太網(wǎng)傳輸至系統(tǒng)主站，其中需要網(wǎng)關轉(zhuǎn)換才能實現(xiàn)。此處選取ZBNET-300C-U 網(wǎng)關，能夠快速完成ZigBee 網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的傳輸轉(zhuǎn)換工作，實現(xiàn)遠程ZigBee 控制和數(shù)據(jù)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(wǎng)接口應用，足以滿足系統(tǒng)分站的數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.2 軟件設計

3.2.1 分站主程序

調(diào)度系統(tǒng)要求實現(xiàn)井下膠輪車實時數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，監(jiān)控人員可以根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令，實現(xiàn)膠輪車遠程調(diào)度與控制功能。調(diào)度系統(tǒng)分站主程序如圖4 所示，系統(tǒng)啟動先進行初始化，之后采集膠輪車實際運動狀態(tài)，采集得到的數(shù)據(jù)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(jīng)以太網(wǎng)傳輸至主站，若主站需要調(diào)度控制，對控制器可以發(fā)出對應的指令。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)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(jié)點位置數(shù)據(jù)。計算的前提是求解移動節(jié)點至鄰近3 個參考節(jié)點的距離，需要已知這3 個參考節(jié)點的坐標值。其中移動節(jié)點本身能夠完成移動節(jié)點和3 個參考節(jié)點之間距離的計算，之后運用三角質(zhì)心算法得到移動節(jié)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(diào)度系統(tǒng)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(shù)據(jù)供監(jiān)控人員觀察，監(jiān)控人員可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)對井下膠輪車進行遠程的控制。膠輪車監(jiān)控分站基于PLC控制器設計而成，其監(jiān)控畫面如下頁圖6 所示。由圖6 可以看出，系統(tǒng)參考節(jié)點均勻分布于巷道內(nèi)部，信號燈布置于避酮室兩端，達到區(qū)段閉鎖與同行的控制，顯示膠輪車的實時數(shù)據(jù)信息。因系統(tǒng)需要適應不同巷道，界面實時顯示了巷道參數(shù)與編號。對巷道環(huán)境監(jiān)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(shù)超標報警功能，報警信息可以在監(jiān)控畫面上進行顯示。

圖6 分站系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 應用效果評價

為了驗證膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)的設計效果，將其應用于某煤炭企業(yè)膠輪車調(diào)度系統(tǒng)進行試運行，進行為期半年的跟蹤記錄，結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足煤礦井下膠輪車的實時定位與遠程調(diào)度的要求。統(tǒng)計結果顯示，相較于原調(diào)度系統(tǒng)，新設計分站系統(tǒng)投入使用后，膠輪車調(diào)度系統(tǒng)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(yè)時間，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)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(nèi)重要的輔助輸送設備，其調(diào)度工作效率要求較高。針對某煤炭企業(yè)膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求現(xiàn)狀，開展分站系統(tǒng)的設計工作，結果表明，分站監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)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(diào)度分站監(jiān)控系統(tǒng)，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(yè)時間增加了近6%，降低了煤炭生產(chǎn)成本，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益60 萬元/年。