基于精確定位的井下運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)的研究

摘要：文章借鑒現(xiàn)有信集閉系統(tǒng)的研究成果，并參考煤礦實(shí)際運(yùn)輸情況，提出并完成了基于精確定位的井下運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)的研究。精確定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量機(jī)車任意時(shí)刻下的加速度值，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)車的運(yùn)動(dòng)速度和位置，實(shí)現(xiàn)定位功能。信集閉系統(tǒng)以西門子PLC、AVR單片機(jī)為控制核心，充分利用了單片機(jī)和PLC的控制優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的定位精度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性控制。
關(guān)鍵詞：信集閉系統(tǒng)；PLC；單片機(jī)；以太網(wǎng)通信；機(jī)車精確定位

0 引言
    電機(jī)車是煤礦井下重要的運(yùn)輸設(shè)備之一，擔(dān)負(fù)著煤炭、矸石、人員和物料的運(yùn)輸任務(wù)，既對(duì)礦井生產(chǎn)效率影響較大，又存在著較大的安全隱患。因此，對(duì)機(jī)車運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控在煤礦生產(chǎn)綜合監(jiān)控中占有重要地位。
    本論文設(shè)計(jì)的基于精確定位的井下運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)，機(jī)車定位精度高、且能實(shí)現(xiàn)井下電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)信號(hào)集中閉塞，并能夠通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，保證系統(tǒng)具有更高的可靠性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    圖1為實(shí)際系統(tǒng)示意圖，有多條進(jìn)路，井下環(huán)境復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化調(diào)度，系統(tǒng)必須兼?zhèn)淇刂婆c檢測(cè)兩種基本功能，控制功能指在收到調(diào)度員包含車號(hào)及機(jī)車行駛的起始終了地址指令后，通過(guò)判斷進(jìn)路是否可以開放，自動(dòng)跟蹤進(jìn)路并自動(dòng)控制開放信號(hào)機(jī)。檢測(cè)功能則需要分站將機(jī)車的精確位置、速度、信號(hào)機(jī)開放顏色及道岔位置反饋給主站上位機(jī)。

    本設(shè)計(jì)把系統(tǒng)分為三大部分：
    (1)機(jī)車精確定位系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)電機(jī)車車號(hào)、位置，及時(shí)了解機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)；
    (2)信集閉系統(tǒng)。PLC作為主控器，主要有檢測(cè)、控制和通訊功能；
    (3)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。顯示行車位置，調(diào)度機(jī)車，控制行車區(qū)間。

2 機(jī)車精確定位系統(tǒng)
    該系統(tǒng)采用基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航定位方法，取代了原有的軌道電路及傳感器系統(tǒng)，既能監(jiān)測(cè)電機(jī)車車號(hào)、位置，又能及時(shí)了解機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)和提高工作效率就顯得十分重要。
2．1 機(jī)車精確定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    機(jī)車定位系統(tǒng)利用固連在電機(jī)車車載機(jī)上的加速度傳感器和陀螺儀，采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，通過(guò)測(cè)量電機(jī)車任意時(shí)刻下的加速度值和角速度值，通過(guò)積分、微分、矩陣乘法等運(yùn)算計(jì)算出物體姿態(tài)、速度和位移，進(jìn)而確定電機(jī)車的速度及位置，實(shí)現(xiàn)定位功能。與傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)相比，可靠性好、靈敏度高，且裝載語(yǔ)音通信功能，能方便及時(shí)地與調(diào)度溝通。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由車載機(jī)、節(jié)點(diǎn)機(jī)、上位機(jī)三部分組成。

2．2 機(jī)車精確定位系統(tǒng)原理
    節(jié)點(diǎn)機(jī)首先對(duì)單片機(jī)端口、各寄存器功能、語(yǔ)音芯片等可編程芯片進(jìn)行初始化。然后等待接收數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)來(lái)源，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。節(jié)點(diǎn)機(jī)主程序如圖3所示。

    節(jié)點(diǎn)機(jī)在系統(tǒng)中主要完成節(jié)點(diǎn)機(jī)與上位機(jī)、節(jié)點(diǎn)機(jī)與車載機(jī)之間的通訊，也就是說(shuō)節(jié)點(diǎn)機(jī)在機(jī)車定位系統(tǒng)中起到一個(gè)承上啟下的作用。下面以讀命令為例介紹節(jié)點(diǎn)機(jī)的作用。讀命令流程圖如圖4所示。

    上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)機(jī)采用串口通訊方式，首先由上位主機(jī)發(fā)送讀取命令，節(jié)點(diǎn)機(jī)通過(guò)判斷地址是否匹配來(lái)確定是否讀取這一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)判斷上位機(jī)數(shù)據(jù)是讀命令時(shí)，便把上位機(jī)要讀取的內(nèi)容向上發(fā)送。同時(shí)節(jié)點(diǎn)機(jī)將該命令通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)給相應(yīng)的車載機(jī)并將其應(yīng)答信息申請(qǐng)上位機(jī)是否可讀取，若信息可讀，車載機(jī)數(shù)據(jù)便進(jìn)行上位，這樣就完成了一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的讀取與傳輸。

3 信集閉系統(tǒng)
    信集閉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要分為PLC部分和單片機(jī)部分。

    PLC主要完成邏輯判斷、檢測(cè)道岔的位置以及確定信號(hào)機(jī)是否開放、機(jī)車位置物理校正，并將需要轉(zhuǎn)換的道岔的具體編號(hào)及定、反位信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)輸出控制實(shí)現(xiàn)。
    具體控制信息，則要上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式給出。對(duì)于上位機(jī)需要顯示的信號(hào)機(jī)編號(hào)、顏色，道岔定位、反位信息，也需通過(guò)以太網(wǎng)反饋給上位機(jī)。
    上位機(jī)給出調(diào)度的安排進(jìn)路命令后，PLC需進(jìn)行連鎖條件邏輯判斷，并做出相應(yīng)的進(jìn)路開放與解鎖方式，當(dāng)聯(lián)鎖運(yùn)算的結(jié)果與上位機(jī)命令校核一致時(shí)，控制相關(guān)設(shè)備輸出，并把道岔信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)校驗(yàn)，正確則執(zhí)行，否則禁止動(dòng)作，返回錯(cuò)誤信息并報(bào)警。
    PLC把數(shù)據(jù)分為2個(gè)部分，前一部分3個(gè)字節(jié)，存放道岔數(shù)據(jù)，在每個(gè)字節(jié)中，以2個(gè)bit表示一個(gè)道岔編號(hào)，值為10時(shí)表示該道岔在定位狀態(tài)，01時(shí)表示道岔在反位狀態(tài)，這樣每個(gè)字節(jié)就可以表示4個(gè)固定道岔的位置信息，11個(gè)道岔用3個(gè)字節(jié)就能表示。如首字節(jié)為10100101，即第一個(gè)字節(jié)為0xA5，這時(shí)道岔1D、2D、3D和4D分別同時(shí)處于定位、定位、反位和反位狀態(tài)，依次類推：第二部分為第四個(gè)字節(jié)，為校驗(yàn)位，本設(shè)計(jì)采用BCC校驗(yàn)，將前三字節(jié)異或后，一并發(fā)送，在接收方經(jīng)過(guò)解析校驗(yàn)。
    單片機(jī)主要完成接受道岔送左信息，給電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。

    單片機(jī)控制程序以接收中斷方式判斷是否有來(lái)自PLC的數(shù)據(jù)。當(dāng)確實(shí)收到PLC給出的含道岔編號(hào)及要求道岔定位或者反位的信息時(shí)，需對(duì)這一信息進(jìn)行解析校驗(yàn)，并向PLC返回一校驗(yàn)結(jié)果，解析正確后控制電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)執(zhí)行。圖7中斷程序流程圖

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)
    上位機(jī)主控畫面是對(duì)整個(gè)機(jī)車運(yùn)行系統(tǒng)的真實(shí)再現(xiàn)，調(diào)度員在調(diào)度室內(nèi)就能實(shí)時(shí)了解機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)信息，隨時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。
    機(jī)車司機(jī)通過(guò)語(yǔ)音通信給調(diào)度員發(fā)送機(jī)車行車要求，調(diào)度員根據(jù)整體運(yùn)行情況，合理確定行車區(qū)間。

    除此之外，還可以通過(guò)上位機(jī)查詢機(jī)車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警提示等。通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控畫面，調(diào)度員能全面掌握井下機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，增強(qiáng)對(duì)突發(fā)事件的處理能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車高效、安全、流暢的運(yùn)行。圖8給出了上位機(jī)監(jiān)控主畫面。

5 結(jié)論
    本文針對(duì)煤礦綜合自動(dòng)化的需求，運(yùn)用了機(jī)車精確定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)等，并且運(yùn)用了無(wú)線語(yǔ)音通信功能，填補(bǔ)了信集閉系統(tǒng)的空白點(diǎn)。
    本系統(tǒng)對(duì)機(jī)車定位準(zhǔn)確，進(jìn)路判斷快速，區(qū)間閉鎖嚴(yán)格有效，電機(jī)車運(yùn)行有序、流暢，對(duì)煤礦井下特殊條件下的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。