摘要：文章借鑒現(xiàn)有信集閉系統(tǒng)的研究成果，并參考煤礦實際運輸情況，提出并完成了基于精確定位的井下運輸信集閉系統(tǒng)的研究。精確定位系統(tǒng)通過測量機車任意時刻下的加速度值，進而計算出電機車的運動速度和位置，實現(xiàn)定位功能。信集閉系統(tǒng)以西門子PLC、AVR單片機為控制核心，充分利用了單片機和PLC的控制優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的定位精度，實現(xiàn)了實時性和準(zhǔn)確性控制。
關(guān)鍵詞：信集閉系統(tǒng)；PLC；單片機；以太網(wǎng)通信；機車精確定位

0 引言
    電機車是煤礦井下重要的運輸設(shè)備之一，擔(dān)負著煤炭、矸石、人員和物料的運輸任務(wù)，既對礦井生產(chǎn)效率影響較大，又存在著較大的安全隱患。因此，對機車運輸?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)計的基于精確定位的井下運輸信集閉系統(tǒng)，機車定位精度高、且能實現(xiàn)井下電機車運輸系統(tǒng)信號集中閉塞，并能夠通過數(shù)據(jù)傳輸通道進行數(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
    圖1為實際系統(tǒng)示意圖，有多條進路，井下環(huán)境復(fù)雜。為實現(xiàn)對電機車運輸?shù)淖詣踊{(diào)度，系統(tǒng)必須兼?zhèn)淇刂婆c檢測兩種基本功能，控制功能指在收到調(diào)度員包含車號及機車行駛的起始終了地址指令后，通過判斷進路是否可以開放，自動跟蹤進路并自動控制開放信號機。檢測功能則需要分站將機車的精確位置、速度、信號機開放顏色及道岔位置反饋給主站上位機。

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

2 機車精確定位系統(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)測電機車車號、位置，又能及時了解機車運行狀態(tài)，對于煤礦安全生產(chǎn)和提高工作效率就顯得十分重要。
2．1 機車精確定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    機車定位系統(tǒng)利用固連在電機車車載機上的加速度傳感器和陀螺儀，采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法，通過測量電機車任意時刻下的加速度值和角速度值，通過積分、微分、矩陣乘法等運算計算出物體姿態(tài)、速度和位移，進而確定電機車的速度及位置，實現(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，且裝載語音通信功能，能方便及時地與調(diào)度溝通。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由車載機、節(jié)點機、上位機三部分組成。

2．2 機車精確定位系統(tǒng)原理
    節(jié)點機首先對單片機端口、各寄存器功能、語音芯片等可編程芯片進行初始化。然后等待接收數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)來源，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。節(jié)點機主程序如圖3所示。

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

    上位機與節(jié)點機采用串口通訊方式，首先由上位主機發(fā)送讀取命令，節(jié)點機通過判斷地址是否匹配來確定是否讀取這一節(jié)點的數(shù)據(jù)，當(dāng)判斷上位機數(shù)據(jù)是讀命令時，便把上位機要讀取的內(nèi)容向上發(fā)送。同時節(jié)點機將該命令通過無線模塊發(fā)給相應(yīng)的車載機并將其應(yīng)答信息申請上位機是否可讀取，若信息可讀，車載機數(shù)據(jù)便進行上位，這樣就完成了一個簡單數(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部分和單片機部分。

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

    單片機控制程序以接收中斷方式判斷是否有來自PLC的數(shù)據(jù)。當(dāng)確實收到PLC給出的含道岔編號及要求道岔定位或者反位的信息時，需對這一信息進行解析校驗，并向PLC返回一校驗結(jié)果，解析正確后控制電動轉(zhuǎn)轍機執(zhí)行。圖7中斷程序流程圖

4 上位機設(shè)計
    上位機主控畫面是對整個機車運行系統(tǒng)的真實再現(xiàn)，調(diào)度員在調(diào)度室內(nèi)就能實時了解機車運行狀態(tài)信息，隨時對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。
    機車司機通過語音通信給調(diào)度員發(fā)送機車行車要求，調(diào)度員根據(jù)整體運行情況，合理確定行車區(qū)間。

    除此之外，還可以通過上位機查詢機車的實時運行狀態(tài)，報警提示等。通過上位機監(jiān)控畫面，調(diào)度員能全面掌握井下機車運行狀態(tài)，增強對突發(fā)事件的處理能力，實現(xiàn)電機車高效、安全、流暢的運行。圖8給出了上位機監(jiān)控主畫面。

5 結(jié)論
    本文針對煤礦綜合自動化的需求，運用了機車精確定位技術(shù)、計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)等，并且運用了無線語音通信功能，填補了信集閉系統(tǒng)的空白點。
    本系統(tǒng)對機車定位準(zhǔn)確，進路判斷快速，區(qū)間閉鎖嚴格有效，電機車運行有序、流暢，對煤礦井下特殊條件下的軌道運輸系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。