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一 种新的防跑 车装置测控 系统 3 7 一 种新的防跑车装置测控系统 李松 ， 唐进元 中南大学 机电工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 摘要 介绍了一种新的基于 P L C 可编程控制 器 和光 电开 关的矿 山防跑车装置测控 系统的原理和设 计 ， 系统采用 了电力线载波技术进行信号传输 ， 并通过计算机仿真测试和上机试验测试 ， 证 明其是一种 比较安全 、 可靠、 经济、 使用方便 的测控 系统。 关键词 防跑车； 测控 系统 ； P L C； 光 电开关； 电力线载波 中图分类号 T M 5 7 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 08 8 2 9 2 0 0 9 1 0 0 0 3 7 0 3 A Ne w M e a s u r i ng a nd Co n t r o l S y s t e m o f Tr a mc a r s Es c a pe Pr e v e n t i ng De v i c e L I S o n g ，T ANG J i n y u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t A n e w me a s u rin g a nd c o nt r o l s y s t e m o f t r a mc a r s e s c a p e p r ev e nt i n g d e v i c e i n mi n e b a s e d o n PL C a nd p ho t o e l e c t r i c i t y s wi t c h i s i n t r o d uc e d． Th i s s y s t e m u s e s p o we r l i n e f o r c o mmu ni c a t i n g． Th r o u g h c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e s t a n d e x p e r i me n t a l t e s t s o n t he ma c hi ne ， t hi s s y s t e m i s p r o v e d t o b e a k i n d o f s a f e ， r e l i a b l e ， e c o n o mi c a l ， c o n v e n i e n t me a s urin g a n d c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r ds t r a mc a m e s c a p e p r e v e n t i n g d e v i c e ；me a s u rin g a n d c o n t r o l s y s t e m； PLC；p h o t o e l e c t ric i t y s wi t c h； p o we r l i n e c o mmun i c a t i o n 矿山斜井是生产运输 的重要环节 ， 也是斜井跑车 事故经常发生的地段 。斜井防跑车问题一直是煤矿生 产中急需解决的棘手 问题 。为 了有效地防止跑车事故 的发生， 按 煤矿安全规程 第 3 4 2条 的规定 ， 应安装 常闭式防跑车装置。常见的防跑车装置主要有 以下 4 种 撞动式防跑车装 置 、 雷达防跑 车装置 、 柔式 防跑车 装置和电动式防跑车装置。但是这些防跑车装置测控 系统存在着各种各样 的问题 ， 例如 动作准确率不高、 容易磨损 、 功能少 、 可靠性不佳 、 适应性差 、 调试维护不 便等。笔者通过研究设计 了一种基于 P L C和光 电开 关的常闭门式防跑车装置的测控系统， 将 P L C技术应 用于防跑车控制系统 ，不仅能够完全达到控制要求 ， 而且与采用机械结构控制和继电器电路控制的设计方 案相 比， 具有系统结构简练、 可靠性好 、 安装调试维护 简便等优点 。 收稿 日期 2 0 0 90 4 2 3 作者简介 李松 1 9 8 6 一 ， 男， 河北邯郸人， 硕士研究生， 主要研 究方向为斜井防跑车装置测控 系统的设计； 唐进元 1 9 6 2 一 ， 男， 湖南永州人， 教授 ， 主要研究领域为齿轮动力学、 数字化制 造研 究。 1 测控系统 的原理 和结构 根据矿山斜井巷道空气潮湿、 粉尘严 重并且容易 堆积、 空间狭窄容易发生刮蹭 、 空气中含有易燃易爆气 体等特点 ， 提出了测控系统 的测控原理 ， 对测控系统进 行了结构设计 。 1 ． 1 测控系统的原理 本测控系统以 P L C作为控制核心， 用来处理传感 器测得的信号 以及 向驱动装 置发 出指令 ， 以光电开关 作为测量速度的传感器 ， 门上下位 的两个行程开关作 为测试门到位 的传感 器。为 了减少 井下恶劣环境对 P L C的影响 ， 将 P L C放置在矿井外的绞车控制室的控 制箱中。各个部分之间的信号传输采用电力线载波技 术 。系统采用常闭式 的设计 ， 速度整定值可以 自行设 定 ， 并可通过改变程序 中的参数进行改变 。本 系统 以 5 m ／ s 为速度上限 ， 矿车速度超过上限 时， 门不打开， 将矿车拦住 ， 并发 出声光报警。发生跑车事故后 ， 测控 系统对信号测试进行屏蔽 ， 防止发生误动作 ， 恢复生产 时后需要按复位按钮。为 了实现人工控制 ， 在井下设 计了手动按钮。测控系统的原理图如图 1所示 。 1 ． 2 测控系统的结构 测控系统由测速 、 信号传输和控制 3个主要部分 3 8 测控技术} 2 0 0 9年第2 8卷第 1 O期 组成 ， 其结构图如图2所示 。 图 1 测控系统原理图 图 2测控系统结 构图 1 ． 2 ． 1 测 速部 分的 结构 与安装 为了检测矿车的速度以判断矿车的运行状态 即 是否超速 ， 测控系统 中设计 了测速 部分。测速 系统 使用的主要元件是光电开关。测速部分由两个平行布 置在轨道丽侧巷道墙壁上的光电开关组成 如图 3所 示 。这两个光 电开关布置在挡车门的上游。测速的 基本原理是计算 出矿车在速度上限运行时触及前后两 个光电开关的时间差值 △ ， 使用 P L C内部定 时器按 照 △ 定时 ， 将矿车触及前后两个光电开关 的时间差 值 △ 与定时器的定时值 △ 相比较。当定时值 △ 。 大于矿车触及前后两个光 电开关 的时问差值 △ 的 时候 ， 说 明矿车的速度大于速度上限 ， 系统将其识别为 超速发生事故 ， 门不打开， 并发出声光报警 ； 当定时值 △ 大于矿车触及前后两个光电开关的时间差值 △ 的时候 ， 说明矿车的速度小于速度上限 ， 系统将其识别 为矿车正常运行 ， 挡车门打开 ， 将矿车放行。系统只对 矿车的头车进行测速 ， 门下游布置一个光电开关 ， 用以 检测矿车是否过完 ， 当车过完时， 放下挡车门。 根据测速原理 ， 光电开关 1和光电开关 2之间的 距离 ， 应该 比一个车身 L的距离 略小 ， 但是事实证 明， 距 离采用 时 ， 距离过短， 导致定 时值 △ 太小 ， 各个干扰项对系统的影响 比较大。所以将两个光电开 关的距离设置为 2 厶 略小于两个车身长度 。光 电开 关 2到挡车门的距离 L 由系统延时、 电机启动时间和 门完全打开时间共同决定。光电开关 3到挡车门的距 离 ， 与光电开关 2到挡车门的距离 ￡ 数值相同。 图 3光电开关 的布置图 光电开关的安装高度也是一个很重要的参数。矿 车连接处的钢索和挂钩会对 系统产生很严重的干扰 ， 所以必须将光电开关安装高度定在矿车连接处的钢索 和挂钩之上、 矿车的顶部之下 如 图4所示 。对于人 车 ， 必须将 高度定在人车上的座椅下 ， 必要时可以在人 车上安装挡板。 图 4 光电开关布置高度 2 1 ． 2 ． 2 信号传输部分的结构 由于本测控系统的控制箱放 置在矿井外部 ， 所以 P L C与信号采集装置、 P L C与驱动装置 的信号传输十 分关键 ， 为了得到可靠的传输信号 ， 特别设计 了本系统 的信号传输部分。本系统的信号传输采用了电力线载 波技术 。电力线载波通信 p o w e r l i n e c o mm u n i c a t i o n 是指利用已有的配电网作为传输媒介 ， 实现数据传递 和信息交换的一种技术。这种信号传输方式的优点是 显而易见的， 与传统的使用 P P I 屏蔽电缆信号进行信 号传输相比， 采用此技术不用架设专门的通信线缆， 成 本大大地降低 ， 甚至可以将系统的成本降低一半 以上 P P I 屏蔽 电缆价格在 7 m 左右 ； 设备也 比较简 单 ， 只需要加装信号调制和解调的遥控开关即可 ； 性能 可靠 ， 延时值在接收范 围之内。 信号传输部分的示意图如图 5所示 。 系统共采用了6对电力线载波遥控开关进行信号 采集和电机控制。 一 种新 的 防跑 车装 置测控 系统 3 9 井下部分 l l j I I l 酋 曲 ～ I l l I l l 电力线 闱 闺 国 苜 苗 苜 图 5 信 号传 输部 分不 意图 1 ． 2 ． 3控 制部 分的 结构 根据实际控制对象的特点 、 应用环境 ， 在设计中选 用西 门子公 司 7 - 2 0 0系列 的可编程 序 控制 器 C P U 2 2 4 C N D C ／ D C ／ D C 6 E S 7 2 1 4 1 A D 2 3 - 0 X B 8 进行 控 制部分设计。该机种在小型 P L C中性价 比较高 ， 具有 极高的可靠性 ， 适用于矿山生产 的恶劣环境。其指令 系统很丰富， 除了一般 的逻辑顺序控制功能以外 ， 还 具有很强的算术和逻辑运算能力。主机有 1 4输入／ 1 0 输出， 单 门控制只需要 5输 k ／ 3输 出， 单机可以控制 3 个门。I ／ O触点使用情况如表 1 所示 。 表 1 1 ／ O触点使用情况 输入触点 功 能 输出触点 功 能 1 0 ． 0 复位按钮 Q o ． 0 报警 1 0 ． 】 光 电开关 1 Q o ． 1 电机正转 1 0 ． 2 光 电开关 2 Q o ． 2 电机反转 1 0 ． 3 光 电开关 3 J 0 ． 4 行程开关 为了实现前文中介绍的系统功能 ， 控制部分系统 流程框 图如图 6所示。 图 6控制系统流程 图 在实际情况中， 矿车上的很多零部件会对系统造 成很严重的干扰 ， 导致系统的误动作 ， 甚至出现系统死 机的状况 。通常为了解决此 问题有两种方法 ， 一种是 硬件滤波 ； 一种是软件滤波。为了减少成本 ， 本系统中 设计 了输入的滤波 ， 用以减少矿车上部件对系统 的干 扰 ， 提高系统的可靠性 。为了方便工人的操作 ， 在井下 的控制箱内还设计了手动按钮 ， 直接对电机进行控制。 2 测控 系统 的测试 为了检测测控系统是否能够可靠地工作及达到设 计要求 ， 对设计完成的测控系统进行了原理性 的测试 和准确性可靠性的测试。通过上机实际测试对测控系 统的原理进行了测试 ， 通过计算机仿真对测控系统 的 准确性和可靠性进行了测试 ， 并且对测试结果进行 了 分析。 2 ． 1 上机试验测试 完成了系统的设计后 ， 需要进行实际上机试验测 试。上机测试的主要 目的是验证测控系统 的设计原理 是否可行 ， 能否实现超速报警及相应的其他动作。 试验使用 V 4 ． 0 S T E P 7 Mi c r o WI N S P 3软件 将程 序通过 P P I 编程电缆下载到 P L C主机 中， 由于条件的 限制 ， 不能在矿井的现场进行实地测试 ， 所以暂时进行 手动输入测试 ， 用以检验系统设计原理的正确性。 方法为 运行程序后手动连接 2 4 V电源端与输入 触点 ， 用以模拟在实 际情况 中矿 车触及光 电开关 时的 输人 ， 通过输入 的时间间隔不同来模拟矿车不同的速 度。当手动输入测试速度为 5 m ／ s以下时 ， 假如系统 正确动作 ， 没有报警 ， 视 为测试成功 ； 当手动输入测试 速度在 5 m ／ s以上时 ， 假如系统发出声光报警 ， 输入也 屏蔽 ， 之后按复位按钮后 ， 声光报警停止 ， 输入屏蔽被 取消 ， 则视为测试成功 ； 反之则认为测试失败。 在进行 了多次试验后 重复试验 5 0次 ， 均获得 了成功 ， 说明测控系统的设计原理是正确可行的。需 要进一步验证的是系统的灵敏性和可靠性 。 2 ． 2 计算机仿真测试 上机试验可以证明系统设计原理 的正确性 ， 但是 由于人体动作本 身的特点 ， 视觉和动作之 间有 1 0 0 2 0 0 IT I S 左右的延迟 ， 所 以在靠近定 时值 6 4 0 ms 附近 进行测试时， 结果可能出现很大程度的偏差 ， 因此单纯 依靠上机手动试验很 难验证系统的灵敏度和可靠性， 需要依靠计算机进行仿真环境测试 ， 通过测试结果来 分析系统的灵敏度和可靠性。 仿真测试的方法与上机进行原理测试的方法相似 ， 通过定时对仿真 P L C的输入触点进行输入来模拟实际 中矿车通过时的状态 ， 将程序载人 P L C仿真程序运行 后 ， 对输入触点进行有时问间隔的触发， 例如先后对 l 0 ． 1和 1 0 ． 2进行输入， 当问隔时间小于定时器定时值的时 候 ， 模拟矿车超速 ， 假如此时系统报警， 测试成功 ， 反之 测试失败 。为了避免像上机测试时出现的反应延迟 ， 所 以采用相关软件编程 如按键精灵 ， 对触点触发时间进 行比较精确的控制。由于计算机 的时钟 比较 准确， 与 P L C定时值的量级有 比较大的差别， 所 以， 可以实现精 确的时间间隔控制 ， 结果是比较准确的。 为了测试系统 的可靠性 ， 在不同的时间间隔 即 模拟不 同的矿车速度 进行多次重复试验来分析试验 结果。试验的时间间隔和成功次数如表 2所示 。 下转第4 3页 基 于 A R M 构架 的工 业注 塑机 控 制 器设计 4 3 邮箱初始 化 ； 建立优先级3的任务 T a s k U a r t S e n d ； 循环 { 采集数据 ； 状 态解算 ； 控制计算 ； 脉 宽输 出； 向 R A M缓冲区写数据 ； 如果 已经写 2 0次 { 将 消息放 人邮箱 D a t a T r a n s Mb o x ； 延时 4个时钟节拍 ； } } T a s k U a r t S e n d 伪代码 等待有消息进入邮箱 D a t a T r a n s M b o x ； 通过 串口向上位机发送数据 ； } 4测试 结果及分析 设计系统时 ， 软件部分 的关键点主要包括系统任 务的划分 、 优先级 的设定和任务 间的协 同。硬件部分 关键点主要包括对系统 的实时性和可靠性检测 。 目前 ， 系统已经基本调试完毕 ， 通过了硬件性能检 测。通过实验测定 ， 表 明系统可以满足功能上的预期 要求 ， 体现了嵌入式技术在工业控制 中的优点 。同时 预留了相关硬件接 口， 使系统具有 良好的扩展性。 5 结束语 本研究 以三星 3 C 2 4 4 0 、 3 C 4 4 B O芯片和 L i n u x 、 C ／ O S ． 1 1 操作系统为硬件及软件核心 ， 给 出了一种注 塑机控制器的设计方法 ， 并着重 阐述 了软件部分 的设 计过程 。实验测定结果表明 ， 本系统完 全可以满足应 用需求 ， 同时硬件部分 的可扩展性为以后进一步完善 系统， 打下了良好基础 ， 实现 了嵌入式技术在工业注塑 机控制器上的应用 ， 同时也是其他工业控制器设计 方 案的参考 。 参考文献 [ 1 ] 美 C o r b e t J ， R u b i n i A， K r o a h H a r t ma n G ． L i n u x 设备驱动 程序[ M] ． 第 3版． 魏永明， 等译． 北京 中国电力出版社， 20 H D 6． [ 2 ] L a b r o s s e J J ． M i c r o C ／ O S ． I I t h e r e a l t i m e k e r n e l [ M] ． 第 2 版． 邵贝贝， 等译． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 孙琼． 嵌入式 L i n u x应用程序开发详解 [ M] ． 北京 人民 邮电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 黄凤奇， 王迎春． 基于 A R M 9L i n u x的嵌入式通信监控 平台的设计[ J ] ． 测控技术． 2 0 0 8 ， 2 7 9 ． [ 5 ] 刘森， 慕春棣 ， 赵明国． 基于 A R M嵌入式系统的拟人机器 人控制器 的设计 [ J ] ． 清华 大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 4 8 4 ． [ 6 ] S a m s u n g I n c ． 3 C 2 4 4 0 u s e r ’ s m a n u a l [ z ] ． 2 0 0 8 ． [ 7 ]P a s t o r E， L o p e z J ， R o y o P ． A n e m b e d d e d a r c h i t e c t u r e f o r mi s s i o n c o n t r o l o f u n ma n n e d a e r i a l v e h i c l e s『 A 1 ． P r o c e e d ． i n g s o f t h e 9 EU ROMI C RO C o n f e r e n c e o n Di g i t al S y s t e m D e s i g n A r c h i t e c t u r e s ， Me t h o d s a n d T o o l s [ C ] ． 2 0 0 6 ． [ 8 ] H u r S H， K i m D W， P ark G T ． B u i l d i n g a u t o m a t i o n s y s t e m v i a L o n Wo r k s a n d L i n u x b a s e d p e r s o n a l c o m p u t e r [ J ] ． A u t o m a t i o n i n C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 6 ， 1 5 4 5 2 2 5 3 0 ． [ 9 ] Wo l f W H． H a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n o f e m b e d d e d s y s t e m s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E， 1 9 9 4 ， 8 2 7 9 6 7 9 8 9． 口 上接第 3 9页 表 2 测试数据统计表 通过对多次试验的结果可以看 出， 在精确控制测 试时时间间隔输入 的情况下 ， 多次重复试验都取得了 成功 ， 说明系统的设计是灵敏 、 可靠的。通过上机和仿 真测试 ， 系统测试准确、 动作灵敏 、 性能可靠 。 3 结束语 本测控系统与以往的测控系统相 比， 使用 P L C作 为控制核心， 光 电开关作为检测设备 ， 用 电力线载波技 术进行信号传输 ， 系统采用的技术更为先进 ， 可靠性更 好 ， 性价比高， 灵活性和通用性也比较好。系统的硬件 配置比较简化， 设计的程序也比较灵活易用， 大大降低 了成本 ， 提高 了可靠性。通过计算机仿真测试和上机 试验测试， 证明本测控系统是一种可靠的、 灵敏的、 易 用的矿山防跑车装置测控系统， 可以使用 和改进后进 行推广。 参考文献 [ 1 ] 张万忠． 可编程控制器入门与应用实例[ M] ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ] 卢舟燕 ， 刘金龙， 洪美娟 ， 等． 斜井防跑车技术应用现状 [ J ] ． 煤矿机 械 ， 2 0 0 6。 2 7 1 1 2 81 2 9 ． [ 3 ] 张典谟． 电力系统载波通信[ M] ． 北京 水利电力出版社， 1 98 8 7 381 ． [ 4 ] 高峰， 董亚波． 低压电力线载波通信中信号传输特性分析 [ J ] ． 电力系统 自动化， 2 0 0 0 ， 2 4 7 3 6 4 0 ． [ 5 ] 和嫣梅． 斜井防跑车装置的设计计算 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 3 ， 2 4 1 0 1 3 ． [ 6 ] 张扬， 蔡春伟， 孙明健． s 7 2 0 0 P L C原理与应用系统设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ] 煤矿安全规程[ s ] ． 2 0 0 5 ． 口