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)了實時性和準確性控制。
關鍵詞：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備之一，擔負著煤炭、矸石、人員和物料的運輸任務，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)總體方案設計
    圖1為實際系統(tǒng)示意圖，有多條進路，井下環(huán)境復雜。為實現(xiàn)對電機車運輸?shù)淖詣踊{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)的結構
    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，能方便及時地與調度溝通。結構圖如圖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)行相應的任務。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)，當判斷上位機數(shù)據(jù)是讀命令時，便把上位機要讀取的內容向上發(fā)送。同時節(jié)點機將該命令通過無線模塊發(fā)給相應的車載機并將其應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)的結構如圖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，并做出相應的進路開放與解鎖方式，當聯(lián)鎖運算的結果與上位機命令校核一致時，控制相關設備輸出，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返回一校驗結果，解析正確后控制電動轉轍機執(zhí)行。圖7中斷程序流程圖

4 上位機設計
    上位機主控畫面是對整個機車運行系統(tǒng)的真實再現(xiàn)，調度員在調度室內就能實時了解機車運行狀態(tài)信息，隨時對現(xiàn)場設備進行控制。
    機車司機通過語音通信給調度員發(fā)送機車行車要求，調度員根據(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、計算機控制技術、通信技術等，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)有一定的指導意義。