矿用胶轮车调度分站定位监控系统设计与应用

田瑞翔

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

引言

矿用胶轮车作为煤炭井下工作面内较为重要的辅助运输车辆之一，其能否可靠工作不仅关系着驾驶司机的生命安全，还与煤炭的产量和效率有着重大关系，现已引起了煤炭行业的广泛关注[1-3]。调度系统的主要作用是保证胶轮车安全有序规范工作，提高工作的效率，以可靠完成输送任务[4]。一般调度系统由地面主站和井下分站组成，其中分站系统工作过程中负责与地面主站进行数据传输工作，同时，采集汇总井下各个监测点的实时数据，是监控功能得以实现的重要纽带[5-6]。因此针对某煤炭企业胶轮车调度分站定位监控系统的功能需求现状，开展分站系统的设计与应用工作，对于提高胶轮车的安全性和工作效率具有重要的意义。

1 功能需求分析

调度系统分站设计功能依据煤矿实际生产环境确定，具体涉及如下功能：第一是车辆定位，实时显示井下胶轮车的位置；第二是自动控制与调度，避免胶轮车运行时之间的干涉与碰撞，能够远程控制信号灯颜色变化，指导井下胶轮车及时确定自己应该运行的方向及任务；第三是井下胶轮车实时运行数据的上传，分站采集得到的数据经过交换机可以实时传输至主站进行显示，供矿区服务器随时查看。

2 方案设计

根据矿用胶轮车调度系统的功能需求完成了整体方案设计工作，如图1 所示，主要包括主站和分站两部分。主站包括工控机、显示器、交换机等，实现胶轮车运行轨迹和状态信号的显示，传输控制信号实现远程控制，通信借助以太网完成。

图1 胶轮车调度系统总体方案

分站作为调度系统整体结构的重要组成部分，其功能可否实现关系整个调度系统的正常运行，其不仅负责采集分析胶轮车的位置信息，还兼顾与主站之间信息数据的传输工作。与此同时，接收主站指令，实现信号灯的远程控制，达到闭锁功能。调度系统监控分站方案如图2 所示，可以看出，主站与分站之间通信采用以太网，分站与胶轮车之间通信采用无线通讯，起着承上启下的过渡作用。

图2 调度系统监控分站方案

3 分站设计

3.1 硬件设计

3.1.1 控制器选型

调度系统分站控制器选择PLC，最好自带以太网通信接口，同时考虑到系统输出控制模块较少，确定使用S7-200smart 系列PLC。该PLC 能够很好地适应煤炭井下较为恶劣的服役环境，具有工作稳定可靠，抗干扰能力强的优势，能够满足系统设计的要求。

3.1.2 位置识别模块

位置识别模块涉及参考节点模块和移动节点模块两个部分，参考节点指的是坐标已知的点，在煤炭巷道内部存在固定的位置。参考节点模块组成包括CC2430 芯片和外围模块，其中CC2430 芯片集成了收发器、MCU（8051）开发环境、大小为8KB 的RAM、64 位可编程内存，同时还能直接使用ZigBee协议。移动节点模块置于胶轮车中，配置独立的电源，采用了CC2431 芯片，内置定位功能模块，其结构组成如图3 所示。

图3 移动节点结构

3.1.3 环境检测模块

调度系统分站环境监测模块涉及有害气体和温度的检测，此处选择型号为MQ-2 的化学式气体浓度传感器，工作原理是有害气体与传感器内部面板发生化学反应，检测气体浓度越高，面板的导电率越高。温度检测使用DS18B20 模块，配置3 个引脚，分别为电源、接地和数据引脚。DS18B20 通信使用串行模式，数据的存取使用一组I/O 接口，配线简单，使用较为稳定可靠。

3.1.4 网关模块

ZigBee 采集得到的数据借助以太网传输至系统主站，其中需要网关转换才能实现。此处选取ZBNET-300C-U 网关，能够快速完成ZigBee 网络与以太网的传输转换工作，实现远程ZigBee 控制和数据采集的目标。胶轮车采用ZigBee 芯片，灵敏度高、覆盖面广，配合10 Mbps/100 Mbps以太网接口应用，足以满足系统分站的数据传输要求。

3.2 软件设计

3.2.1 分站主程序

调度系统要求实现井下胶轮车实时数据的采集，数据采集时间间隔设置为0.1 s，每隔0.1 s 由分站向主站传输胶轮车的位置和信号灯实时数据，监控人员可以根据实时监测数据发出控制指令，实现胶轮车远程调度与控制功能。调度系统分站主程序如图4 所示，系统启动先进行初始化，之后采集胶轮车实际运动状态，采集得到的数据为空时反复查询。当控制器检测得到井下胶轮车的位置信息之后经以太网传输至主站，若主站需要调度控制，对控制器可以发出对应的指令。

图4 监控系统分站主程序

3.2.2 定位程序

地位程序的功能是计算得到井下胶轮车的位置坐标，即移动节点位置数据。计算的前提是求解移动节点至邻近3 个参考节点的距离，需要已知这3 个参考节点的坐标值。其中移动节点本身能够完成移动节点和3 个参考节点之间距离的计算，之后运用三角质心算法得到移动节点位置坐标。定位程序如下页图5 所示。

图5 定位程序

3.2.3 人机交互界面

人机交互界面作为调度系统分站中的重要组成部分，主要实时显示井下胶轮车的实时运存数据供监控人员观察，监控人员可以根据实时数据对井下胶轮车进行远程的控制。胶轮车监控分站基于PLC控制器设计而成，其监控画面如下页图6 所示。由图6 可以看出，系统参考节点均匀分布于巷道内部，信号灯布置于避酮室两端，达到区段闭锁与同行的控制，显示胶轮车的实时数据信息。因系统需要适应不同巷道，界面实时显示了巷道参数与编号。对巷道环境监测得到的有害气体浓度和温度也进行了实时显示，并配置了对应的参数超标报警功能，报警信息可以在监控画面上进行显示。

图6 分站系统监控界面

4 应用效果评价

为了验证胶轮车调度分站定位监控系统的设计效果，将其应用于某煤炭企业胶轮车调度系统进行试运行，进行为期半年的跟踪记录，结果表明，系统运行稳定可靠，能够满足煤矿井下胶轮车的实时定位与远程调度的要求。统计结果显示，相较于原调度系统，新设计分站系统投入使用后，胶轮车调度系统的定位精度提高了近3%，保证了较快的响应速率，改善了胶轮车工作混乱的情况，增加了胶轮车近6%的有效作业时间，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益60 万元/年，取得了很好的应用效果。

5 结语

胶轮车作为煤炭掘进工作面内重要的辅助输送设备，其调度工作效率要求较高。针对某煤炭企业胶轮车调度分站定位监控系统的功能需求现状，开展分站系统的设计工作，结果表明，分站监控系统工作稳定可靠，满足胶轮车准确定位与快速响应的要求。应用新设计的调度分站监控系统，提高了近3%的胶轮车定位精度，保证了较快的响应速率，改善了胶轮车工作混乱的情况，胶轮车的有效作业时间增加了近6%，降低了煤炭生产成本，为煤炭企业新增经济效益60 万元/年。