礦用膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(yùn)輸車輛之一，其能否可靠工作不僅關(guān)系著駕駛司機(jī)的生命安全，還與煤炭的產(chǎn)量和效率有著重大關(guān)系，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)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(wù)[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(fù)責(zé)與地面主站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，同時(shí)，采集匯總井下各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是監(jiān)控功能得以實(shí)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(shè)計(jì)與應(yīng)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(shè)計(jì)功能依據(jù)煤礦實(shí)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(shí)時(shí)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(yùn)行時(shí)之間的干涉與碰撞，能夠遠(yuǎn)程控制信號燈顏色變化，指導(dǎo)井下膠輪車及時(shí)確定自己應(yīng)該運(yùn)行的方向及任務(wù)；第三是井下膠輪車實(shí)時(shí)運(yùn)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(jī)可以實(shí)時(shí)傳輸至主站進(jìn)行顯示，供礦區(qū)服務(wù)器隨時(shí)查看。

2 方案設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(jī)、顯示器、交換機(jī)等，實(shí)現(xiàn)膠輪車運(yùn)行軌跡和狀態(tài)信號的顯示，傳輸控制信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)的重要組成部分，其功能可否實(shí)現(xiàn)關(guān)系整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其不僅負(fù)責(zé)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(shí)，接收主站指令，實(shí)現(xiàn)信號燈的遠(yuǎn)程控制，達(dá)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(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

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(shí)考慮到系統(tǒng)輸出控制模塊較少，確定使用S7-200smart 系列PLC。該P(yáng)LC 能夠很好地適應(yīng)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(qiáng)的優(yōu)勢，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)模塊和移動節(jié)點(diǎn)模塊兩個(gè)部分，參考節(jié)點(diǎn)指的是坐標(biāo)已知的點(diǎn)，在煤炭巷道內(nèi)部存在固定的位置。參考節(jié)點(diǎn)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(shí)還能直接使用ZigBee協(xié)議。移動節(jié)點(diǎn)模塊置于膠輪車中，配置獨(dú)立的電源，采用了CC2431 芯片，內(nèi)置定位功能模塊，其結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖3 移動節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

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(xué)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(xué)反應(yīng)，檢測氣體濃度越高，面板的導(dǎo)電率越高。溫度檢測使用DS18B20 模塊，配置3 個(gè)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(guān)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(guān)轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)。此處選取ZBNET-300C-U 網(wǎng)關(guān)，能夠快速完成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的傳輸轉(zhuǎn)換工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程ZigBee 控制和數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)。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(yīng)用，足以滿足系統(tǒng)分站的數(shù)據(jù)傳輸要求。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 分站主程序

調(diào)度系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)井下膠輪車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)控人員可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)膠輪車遠(yuǎn)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(jìn)行初始化，之后采集膠輪車實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，采集得到的數(shù)據(jù)為空時(shí)反復(fù)查詢。當(dāng)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(yīng)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(jì)算得到井下膠輪車的位置坐標(biāo)，即移動節(jié)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)。計(jì)算的前提是求解移動節(jié)點(diǎn)至鄰近3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，需要已知這3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。其中移動節(jié)點(diǎn)本身能夠完成移動節(jié)點(diǎn)和3 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間距離的計(jì)算，之后運(yùn)用三角質(zhì)心算法得到移動節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。定位程序如下頁圖5 所示。

圖5 定位程序

3.2.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)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(shí)時(shí)顯示井下膠輪車的實(shí)時(shí)運(yùn)存數(shù)據(jù)供監(jiān)控人員觀察，監(jiān)控人員可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對井下膠輪車進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。膠輪車監(jiān)控分站基于PLC控制器設(shè)計(jì)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(diǎn)均勻分布于巷道內(nèi)部，信號燈布置于避酮室兩端，達(dá)到區(qū)段閉鎖與同行的控制，顯示膠輪車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。因系統(tǒng)需要適應(yīng)不同巷道，界面實(shí)時(shí)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(jìn)行了實(shí)時(shí)顯示，并配置了對應(yīng)的參數(shù)超標(biāo)報(bào)警功能，報(bào)警信息可以在監(jiān)控畫面上進(jìn)行顯示。

圖6 分站系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證膠輪車調(diào)度分站定位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)膠輪車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，進(jìn)行為期半年的跟蹤記錄，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足煤礦井下膠輪車的實(shí)時(shí)定位與遠(yuǎn)程調(diào)度的要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于原調(diào)度系統(tǒng)，新設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)間，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益60 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

膠輪車作為煤炭掘進(jìn)工作面內(nèi)重要的輔助輸送設(shè)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(shè)計(jì)工作，結(jié)果表明，分站監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足膠輪車準(zhǔn)確定位與快速響應(yīng)的要求。應(yīng)用新設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)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(jì)效益60 萬元/年。