煤矿无轨胶轮车自动监控系统的设计

韩鹏海

（同煤集团晋华宫矿， 山西 大同 037016）

引言

我国能源结构为“富煤、贫油、少气”，虽然近些年来大力发展太阳能、风能和核能等新能源，但是由于技术不成熟与效率低下等问题，煤炭仍然是我国的主要能源之一[1]。国家能源部申明，在未来几十年内，煤炭主体地位不会动摇[2]。井下运输系统作为煤炭生产的一个重要环节，承担着煤炭、矸石、工作人员与设备的运输工作[3]。无轨胶轮车为井下一种辅助运输方式，具有体积小、操作灵活、不受轨道限制等优点，运输效率相对于有轨小车高5 倍左右，具有很好的应用前途。井下巷道网络愈发复杂，使得无轨胶轮车的调度监控工作变得相对困难，容易发生井下交通拥挤与安全事故。所以设计一种煤矿无轨胶轮车自动监控系统，方便井上工作人员对井下车辆的调度，提高工作效率。

1 系统整体功能要求

整个监控系统可以分为井上部分与井下部分。井上部分即井上调度室，主要功能：可视化人机交互功能，井下车辆信息可实时、直观地显示于井上设备，便于井上工作人员统一调度；存储功能，将车辆的运行轨迹、运行时间与运行速度等数据保存，方便后期查阅及打印；井下控制功能，在井下有事故或突发情况时，调度人员可人为的控制信号灯，并进行语音播报。

井下部分中的控制分站为整个监控系统“承上启下”的组成部分，负责井下各区段分站的控制，同时接收井上的控制信号。控制分站主要具备以下几个功能：车辆工况检测功能，对井下各胶轮车的车速、油温等数据进行采集，当出现异常时，记录入数据库，到达地面后检查维修；定位功能，可对井下各车辆实时定位。自动控制功能，根据车辆执行任务的优先级，对各车辆的行驶速度与行驶路线进行调整，车辆会车时，低优先级车辆应进入避车室避让；各车辆之间保持安全车距，发生故障、交通拥挤时，应及时疏散，并控制其他车辆避开事故区段。

2 系统总体方案的设计

本文设计的监控系统整体方案如图1 所示，其中井上部分由监控主机、显示器、存储器、打印机等设备组成，井下部分由控制分站、交换机、区段分站、检测装置、信号灯与无线节点等组成，其中井下控制分站与井上监控主机通过以太网连接。胶轮车装设有检测装置与无线发射器，其中检测装置负责检测车辆的位置信息、速度信息、油压信息与油温信息等，无线发射装置负责将检测到的信息传输到区段分站的无线接收装置。

图1 监控系统总体方案设计

3 监控系统硬件的设计

3.1 控制分站设备的选型

井下控制分站根据胶轮车传输回的信息，通过控制信号灯，完成胶轮车的统一调度工作，并与井上监控主站进行信息传输共享。本文选用的控制分站处理器为S7-300PLC，具有适应性强、编程简单与稳定性好的优点，可同时处理各种交互信息。S7-300PLC 控制器具有较多I/O 接口，可满足系统的外部设备接入与扩展需求。本文选用KJJ18 矿用核心交换机，实现RS485 与以太网之间的信息转换。KJJ18 矿用交换机的工作温度为0～40 ℃，湿度＜96%，支持双全工。

3.2 车辆信息采集装置的设计选型

本文选用矿用机车监测保护仪对胶轮车的车速、油温、油压等数据进行采集，并存盘记录，当某个工作参数出现异常时，仪器将立即报警，提醒工作人员及司机对车辆进行及时的维修。监测保护仪的工作电源为DC20V～30V，额定工作电流200 mA，适应工作温度-20～75 ℃，工作压强为80～110 kPa，车速检测范围0～100 km/h。

车辆定位功能主要通过无线节点完成，无线发射节点安装与胶轮车上，实时向区段分站无线接收装置发送车辆的工况信息，包括检测装置测量数据、车辆位置信息、行驶方向等。无线接收节点又称为参考节点，安装于煤矿巷道的墙壁上，其位置信息已知。本文采用ZigBee 技术实现井下的无线通讯，选用CC2530 芯片与其他外部设备构成系统的无线节点。CC2530 芯片具有功耗低、抗干扰性强的优点，支持定位功能，满足监控系统与井下环境的需求。系统通过将无线发射节点编号，保证车辆编号与节点编号一一对应，将采集到的信息及时传输到区段监控分站，计算处理得到车辆的具体位置与各工作参数。

3.3 井下信号灯的布置设计

由于井下光线较暗，弯道较多，胶轮车司机无法及时发现并避让其他车辆，所以需要通过信号灯指引司机。通常信号灯安装于车辆行驶方向的右侧墙壁上，每一个方向的信号灯控制该方向行驶的车辆。为避免车辆拥挤碰撞，信号灯安装于避车室附近，当信号灯为绿灯时，车辆正常行驶，无需避让；当信号灯为红灯时，车辆禁止继续前行，进入附近避车室避让。当车辆行驶在三岔道口与十字路口时，信号灯应当指引车辆直行、左转或者右转。系统在车辆进入之前，检测附近车辆的位置信息，通过控制策略与车辆优先级顺序控制信号灯状态，进而合理安排车辆运行。

4 监控系统软件的设计

煤矿胶轮车自动监控系统主要是方便井上工作人员对井下胶轮车运行数据的监测，可及时发现车辆运行故障，统一调度指挥各车辆更加高效地完成运送任务。监控系统的主程序流程图如图2 所示，系统初始化，自检无故障后，统一设置井下信号灯为绿色，方便车辆迅速通过。系统运行信息采集程序，检测车辆的运行数据，具体包括车辆的行驶速度、油压与油温等，判断车辆是否发生故障，当某一工作参数超过设定阙值时，系统报警，待车辆上井后应及时检查维修。

图2 监控系统主程序流程图设计

系统运行车俩定位子程序，通过RSSI 定位法，测量相邻两个无线接收节点之间的RSSI 值，计算得到区段内车辆的位置信息。当系统监测到狭窄巷道内发生会车时，通过车辆编号得到各车辆执行任务的优先级，设置巷道内信号灯状态，使得任务优先级高的车辆优先通过，优先级低的车辆及时避让。当系统监测到三岔道口或十字路口车辆通过数≥2，且车辆行驶方向相对时，系统运行信号灯控制子程序，根据车辆任务优先级顺序，设置路口信号灯状态，指引车辆有序直行、左转与右转。系统采用循环自检结构，当狭窄巷道与路口无上述情况时，区段内信号灯全部设置为绿色，保证井下运输的高效性。

5 结语

基于PLC 的煤矿无轨胶轮车自动监控系统，通过无线通讯技术，可实时采集各车辆的工作参数与位置信息，为及时对车辆故障进行维修提供依据。系统根据车辆位置信息，控制改变信号灯的状态，实现对井下胶轮车的统一调度，提高了运输系统的效率，有效降低了交通堵塞与碰撞事故发生的概率。