基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

伍昕宇，楊文龍，吳富姬，陳淑梅

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

伍昕宇，楊文龍，吳富姬，陳淑梅

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

針對礦山井下直流架線全線裸露帶電運(yùn)行帶來的安全隱患，研究開發(fā)了一套基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由架線控制集成倉、機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡及PLC控制器等裝置組成。系統(tǒng)通過架線控制集成倉接收機(jī)車發(fā)出的ZigBee無線信號(hào)控制分段架線送電，并且由PLC控制器控制斷電的方式實(shí)現(xiàn)“車來送電，車走斷電”?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)送電、停電動(dòng)作準(zhǔn)確性、及時(shí)性完全滿足設(shè)計(jì)要求。

自動(dòng)停送電裝置；機(jī)車架線；ZigBee；無線信號(hào)

架線式電機(jī)車牽引是礦山井下水平巷道輔助運(yùn)輸?shù)闹饕绞絒1-3]，該方式要求給電機(jī)車供電的架空線路全線裸露帶電運(yùn)行，隨時(shí)為通過電機(jī)車供電。裸露架線的電壓為直流127 V或直流250 V甚至達(dá)到直流550 V，并且架線離地面距離約2 m，這些對作業(yè)人員安全帶來很大的威脅，甚至出現(xiàn)觸電致人死亡事故[4-5]。目前，不少企業(yè)采用將架線分段供電[6-7]的方法以解決架線全線帶電運(yùn)行的問題，但是如何快速、準(zhǔn)確地控制各段架線的送電和停電是有待研究人員解決的問題。

1 直流機(jī)車架線停送電控制發(fā)展現(xiàn)狀

目前，手動(dòng)控制直流機(jī)車架線的方式在一些礦山企業(yè)仍然普遍存在。機(jī)車駕駛員開動(dòng)機(jī)車時(shí)，還需一名操作人員配合進(jìn)行停送電的操作。手動(dòng)控制機(jī)車架線停送電的方式不僅操作繁瑣，而且送電后容易忘記斷電，從而導(dǎo)致安全隱患。近年來，研究人員在架線控制系統(tǒng)的研究方面取得了不少進(jìn)展，設(shè)計(jì)開發(fā)了諸如車場區(qū)域的自動(dòng)停送電裝置[8]、基于電流信號(hào)的井下架線電機(jī)車自動(dòng)供電裝置[9]、基于載波信號(hào)的直流架線自動(dòng)供電系統(tǒng)[10-12]等。其中，車場區(qū)域的自動(dòng)停送電裝置通過比較架線之間有無電壓差來判斷是否有機(jī)車經(jīng)過，該裝置功能齊全、性能可靠，但其應(yīng)用場合有一定局限性，且裝置較為復(fù)雜；基于電流信號(hào)的井下架線電機(jī)車自動(dòng)供電裝置通過檢測機(jī)車車燈的小電流信號(hào)來確定機(jī)車是否出現(xiàn)在該段架線區(qū)域，此裝置可以并入機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)并作為一個(gè)監(jiān)控分站，具有實(shí)時(shí)將架線電壓電流車況等信息上傳等功能，但引入機(jī)車車燈電流的方式無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性及設(shè)備成本；基于載波信號(hào)的直流架線自動(dòng)供電系統(tǒng)使用了無線通訊方式傳遞機(jī)車信號(hào)，具有過流、漏電檢測、故障報(bào)警等功能，但井下巷道常出現(xiàn)拐彎等情形，相鄰兩分站的載波信號(hào)可能出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)，可能導(dǎo)致機(jī)車行進(jìn)至架線分隔處突然斷電。針對上述問題，在對現(xiàn)有架線自動(dòng)停送電控制進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)主要由架線控制集成倉、機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡及PLC控制器等裝置組成。其中，機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡是一款基于ZigBee技術(shù)開發(fā)的無線發(fā)射模塊，其發(fā)射的無線信號(hào)中編譯了每輛機(jī)車的身份代碼，機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡一般放置于機(jī)車駕駛室內(nèi)；架線控制集成倉是執(zhí)行每段架線停送電動(dòng)作的裝置，并且自身集成了天線，可接收機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的無線信號(hào)；PLC控制器與各架線控制集成倉之間通過RS-485通信的方式傳輸信號(hào)。裸露的架線根據(jù)實(shí)際需要分為若干段，每段架線頭尾分別接入相鄰架線控制集成倉內(nèi)接觸器的兩個(gè)獨(dú)立但通斷一致的觸頭?；赯igBee技術(shù)的架線自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖如圖1所示。

圖1 基于ZigBee技術(shù)的架線自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)設(shè)備組成Fig.1 System equipment composition

圖2 分段架線狀態(tài)示意Fig.2 State of locomotive transmission line

當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至1#架線控制集成倉附近時(shí)，架線控制集成倉接收到機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡發(fā)射的無線信號(hào)后立刻執(zhí)行送電動(dòng)作，1#架線控制集成倉控制的兩段架線上電并保持，如圖2（a）所示，圖中長虛線架線段代表有電架線段，實(shí)線段代表無電架線段，短虛線架線段代表該架線段即將從有電變成無電。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至2#架線控制集成倉附近時(shí)，2#架線控制集成倉控制的兩段架線上電并保持，隨后PLC控制器發(fā)送1#架線控制集成倉執(zhí)行停電動(dòng)作命令，1#架線控制集成倉控制的左段架線停電，但2#架線控制集成倉控制的兩段架線依然保持上電狀態(tài)，如圖當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至3#架線控制集成倉附近時(shí)，3#架線2（b）所示；控制集成倉控制的兩段架線上電并保持，隨后PLC控制器發(fā)送2#架線控制集成倉執(zhí)行停電動(dòng)作命令，2#架線控制集成倉控制的左段架線停電，但3#架線控制集成倉控制的兩段架線依然保持上電狀態(tài)，如圖2（c）所示。無論機(jī)車行進(jìn)至何處，系統(tǒng)保證附近兩段架線保持上電狀態(tài)?！皟啥渭芫€上電”的手段不僅解決了全段架線上電不安全的隱患，也保證了機(jī)車隨時(shí)可以雙向運(yùn)行。由于機(jī)車身份標(biāo)識(shí)卡發(fā)送的無線信號(hào)只起近距離觸發(fā)上電的作用，包含的字節(jié)數(shù)量極少，該無線信號(hào)的可靠性完全可以滿足井下惡劣條件使用。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 架線控制集成倉硬件結(jié)構(gòu)

架線控制集成倉內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)圖及與母線和分段架線連接示意圖如圖3所示。架線控制集成倉內(nèi)部單片機(jī)采用基于2.4 GHz頻率ZigBee協(xié)議的CC2530芯片，包括了電源模塊、外接天線、開關(guān)量I/O接口及RS-485通訊口等，其中開關(guān)量I/O接口與交流接觸器互聯(lián)并執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作。母線與分段架線分別接入交流接觸器的輸入及輸出端。

架線控制集成倉外部設(shè)置了自動(dòng)-手動(dòng)切換旋鈕、電源及運(yùn)行狀態(tài)指示燈、急停按鈕等部件，操作人員可方便地進(jìn)行手動(dòng)-自動(dòng)切換，緊急停機(jī)等操作。另外，控制器所在的架線控制集成倉還設(shè)置了一塊威綸通TK8070iH液晶觸摸屏，用以查看架線狀態(tài)及各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如當(dāng)日上電時(shí)間、次數(shù)等。

圖3 架線控制集成倉內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal hardware structure of an actuator

3.2 PLC控制器算法

該系統(tǒng)采用RS-485方式通訊，其中SIMENS S7-200 PLC控制器作主站，各架線控制集成倉作從站，通訊協(xié)議采用MODBUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

由于架線控制集成倉接收到ZigBee無線信號(hào)后直接執(zhí)行上電動(dòng)作，故PLC控制器僅負(fù)責(zé)發(fā)送停電指令?？紤]到實(shí)際情況中會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)機(jī)車同時(shí)運(yùn)行的情況，PLC控制器采用了綜合機(jī)車歷史信息的加權(quán)算法。PLC控制器將架線控制集成倉接收到的機(jī)車當(dāng)前信號(hào)作為權(quán)值“1”存儲(chǔ)為機(jī)車歷史信號(hào)，當(dāng)且僅當(dāng)該集成倉的機(jī)車當(dāng)前信號(hào)與歷史信號(hào)權(quán)值均為“0”時(shí)才發(fā)送斷電指令，程序框圖如圖4所示。

圖4 PLC控制器程序框圖Fig.4 PLC program flow diagram

3.3 上位機(jī)組態(tài)軟件

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)組態(tài)軟件用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各分段架線狀態(tài)，軟件采用組態(tài)王6.55及數(shù)據(jù)庫SQL 2012進(jìn)行開發(fā)。用戶通過上位機(jī)組態(tài)軟件可直觀查看整段架線結(jié)構(gòu)、上電狀態(tài)、上電時(shí)間、上電次數(shù)、機(jī)車信號(hào)等信息。上位機(jī)組態(tài)軟件界面圖如圖5所示，架線狀態(tài)統(tǒng)計(jì)圖表如圖6所示。

圖5 組態(tài)軟件界面圖Fig.5 Diagram of software interface

圖6 架線統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical diagram of transmission line

該系統(tǒng)在江西某鎢礦山井下應(yīng)用結(jié)果表明，基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)送電、停電動(dòng)作準(zhǔn)確性、及時(shí)性完全滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)車通過時(shí)分段架線有電，其余分段架線均保持無電狀態(tài)，因此有效防止架線觸電事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

針對礦山井下直流架線全線裸露帶電運(yùn)行帶來的安全隱患，且市場上大部分直流架線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備昂貴、控制效果不佳等問題，本文開發(fā)了一套基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。另外，基于ZigBee技術(shù)的直流機(jī)車架線分段自動(dòng)停送電控制系統(tǒng)設(shè)備組成簡單，通用性、可移植性很好，推廣該系統(tǒng)可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Automatic Control System of Direct Current Locomotive Piecewise Transmission Line Based on ZigBee

WU Xinyu,YANG Wenlong,WU Fuji,CHEN Shumei

(Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

To elliminate the hidden danger of exposed direct current locomotive transmissionline,this paper discussed the design of automatic control system of piecewise transmission line based on ZigBee.The piecewise transmission line was switched on electric direct current as soon as the actuator

a ZigBee signal from a locomotive nearby and switched off when the actuator

command from PLC.The application results showed that the system could meet the design requirements.

power supply device;locomotive transmission line;ZigBee

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.02.015

TF351；TD63

A

2016-02-19

江西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（20151BBE50094）

伍昕宇（1989-），男，江西贛州人，助理工程師，主要從事信號(hào)處理、工礦自動(dòng)化等研究工作。

楊文龍（1978-），男，湖北鄂州人，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)軟件、工礦自動(dòng)化和礦山安全研究工作。