基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统设计与研究

伍昕宇，杨文龙，吴富姬，陈淑梅

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统设计与研究

伍昕宇，杨文龙，吴富姬，陈淑梅

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

针对矿山井下直流架线全线裸露带电运行带来的安全隐患，研究开发了一套基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统。该系统主要由架线控制集成仓、机车身份标识卡及PLC控制器等装置组成。系统通过架线控制集成仓接收机车发出的ZigBee无线信号控制分段架线送电，并且由PLC控制器控制断电的方式实现“车来送电，车走断电”。现场应用结果表明，该系统运行时送电、停电动作准确性、及时性完全满足设计要求。

自动停送电装置；机车架线；ZigBee；无线信号

架线式电机车牵引是矿山井下水平巷道辅助运输的主要方式[1-3]，该方式要求给电机车供电的架空线路全线裸露带电运行，随时为通过电机车供电。裸露架线的电压为直流127 V或直流250 V甚至达到直流550 V，并且架线离地面距离约2 m，这些对作业人员安全带来很大的威胁，甚至出现触电致人死亡事故[4-5]。目前，不少企业采用将架线分段供电[6-7]的方法以解决架线全线带电运行的问题，但是如何快速、准确地控制各段架线的送电和停电是有待研究人员解决的问题。

1 直流机车架线停送电控制发展现状

目前，手动控制直流机车架线的方式在一些矿山企业仍然普遍存在。机车驾驶员开动机车时，还需一名操作人员配合进行停送电的操作。手动控制机车架线停送电的方式不仅操作繁琐，而且送电后容易忘记断电，从而导致安全隐患。近年来，研究人员在架线控制系统的研究方面取得了不少进展，设计开发了诸如车场区域的自动停送电装置[8]、基于电流信号的井下架线电机车自动供电装置[9]、基于载波信号的直流架线自动供电系统[10-12]等。其中，车场区域的自动停送电装置通过比较架线之间有无电压差来判断是否有机车经过，该装置功能齐全、性能可靠，但其应用场合有一定局限性，且装置较为复杂；基于电流信号的井下架线电机车自动供电装置通过检测机车车灯的小电流信号来确定机车是否出现在该段架线区域，此装置可以并入机车运输监控系统并作为一个监控分站，具有实时将架线电压电流车况等信息上传等功能，但引入机车车灯电流的方式无疑增加了系统的复杂性及设备成本；基于载波信号的直流架线自动供电系统使用了无线通讯方式传递机车信号，具有过流、漏电检测、故障报警等功能，但井下巷道常出现拐弯等情形，相邻两分站的载波信号可能出现覆盖盲区，可能导致机车行进至架线分隔处突然断电。针对上述问题，在对现有架线自动停送电控制进行研究和分析的基础上，设计了基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统。

2 系统工作原理

该系统主要由架线控制集成仓、机车身份标识卡及PLC控制器等装置组成。其中，机车身份标识卡是一款基于ZigBee技术开发的无线发射模块，其发射的无线信号中编译了每辆机车的身份代码，机车身份标识卡一般放置于机车驾驶室内；架线控制集成仓是执行每段架线停送电动作的装置，并且自身集成了天线，可接收机车身份标识卡发出的无线信号；PLC控制器与各架线控制集成仓之间通过RS-485通信的方式传输信号。裸露的架线根据实际需要分为若干段，每段架线头尾分别接入相邻架线控制集成仓内接触器的两个独立但通断一致的触头。基于ZigBee技术的架线自动停送电控制系统设备组成图如图1所示。

图1 基于ZigBee技术的架线自动停送电控制系统设备组成Fig.1 System equipment composition

图2 分段架线状态示意Fig.2 State of locomotive transmission line

当机车运行至1#架线控制集成仓附近时，架线控制集成仓接收到机车身份标识卡发射的无线信号后立刻执行送电动作，1#架线控制集成仓控制的两段架线上电并保持，如图2（a）所示，图中长虚线架线段代表有电架线段，实线段代表无电架线段，短虚线架线段代表该架线段即将从有电变成无电。当机车运行至2#架线控制集成仓附近时，2#架线控制集成仓控制的两段架线上电并保持，随后PLC控制器发送1#架线控制集成仓执行停电动作命令，1#架线控制集成仓控制的左段架线停电，但2#架线控制集成仓控制的两段架线依然保持上电状态，如图当机车运行至3#架线控制集成仓附近时，3#架线2（b）所示；控制集成仓控制的两段架线上电并保持，随后PLC控制器发送2#架线控制集成仓执行停电动作命令，2#架线控制集成仓控制的左段架线停电，但3#架线控制集成仓控制的两段架线依然保持上电状态，如图2（c）所示。无论机车行进至何处，系统保证附近两段架线保持上电状态。“两段架线上电”的手段不仅解决了全段架线上电不安全的隐患，也保证了机车随时可以双向运行。由于机车身份标识卡发送的无线信号只起近距离触发上电的作用，包含的字节数量极少，该无线信号的可靠性完全可以满足井下恶劣条件使用。

3 控制系统设计

3.1 架线控制集成仓硬件结构

架线控制集成仓内部硬件结构图及与母线和分段架线连接示意图如图3所示。架线控制集成仓内部单片机采用基于2.4 GHz频率ZigBee协议的CC2530芯片，包括了电源模块、外接天线、开关量I/O接口及RS-485通讯口等，其中开关量I/O接口与交流接触器互联并执行开关动作。母线与分段架线分别接入交流接触器的输入及输出端。

架线控制集成仓外部设置了自动-手动切换旋钮、电源及运行状态指示灯、急停按钮等部件，操作人员可方便地进行手动-自动切换，紧急停机等操作。另外，控制器所在的架线控制集成仓还设置了一块威纶通TK8070iH液晶触摸屏，用以查看架线状态及各类统计数据，如当日上电时间、次数等。

图3 架线控制集成仓内部硬件结构Fig.3 Internal hardware structure of an actuator

3.2 PLC控制器算法

该系统采用RS-485方式通讯，其中SIMENS S7-200 PLC控制器作主站，各架线控制集成仓作从站，通讯协议采用MODBUS标准协议。

由于架线控制集成仓接收到ZigBee无线信号后直接执行上电动作，故PLC控制器仅负责发送停电指令。考虑到实际情况中会出现多台机车同时运行的情况，PLC控制器采用了综合机车历史信息的加权算法。PLC控制器将架线控制集成仓接收到的机车当前信号作为权值“1”存储为机车历史信号，当且仅当该集成仓的机车当前信号与历史信号权值均为“0”时才发送断电指令，程序框图如图4所示。

图4 PLC控制器程序框图Fig.4 PLC program flow diagram

3.3 上位机组态软件

本系统设计了上位机组态软件用于实时监控各分段架线状态，软件采用组态王6.55及数据库SQL 2012进行开发。用户通过上位机组态软件可直观查看整段架线结构、上电状态、上电时间、上电次数、机车信号等信息。上位机组态软件界面图如图5所示，架线状态统计图表如图6所示。

图5 组态软件界面图Fig.5 Diagram of software interface

图6 架线统计图Fig.6 Statistical diagram of transmission line

该系统在江西某钨矿山井下应用结果表明，基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统运行时送电、停电动作准确性、及时性完全满足设计要求，机车通过时分段架线有电，其余分段架线均保持无电状态，因此有效防止架线触电事故的发生。

4 结语

针对矿山井下直流架线全线裸露带电运行带来的安全隐患，且市场上大部分直流架线控制系统结构复杂、设备昂贵、控制效果不佳等问题，本文开发了一套基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统。现场应用结果表明，本系统满足设计需求。另外，基于ZigBee技术的直流机车架线分段自动停送电控制系统设备组成简单，通用性、可移植性很好，推广该系统可取得良好的经济效益和社会效益。

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Automatic Control System of Direct Current Locomotive Piecewise Transmission Line Based on ZigBee

WU Xinyu,YANG Wenlong,WU Fuji,CHEN Shumei

(Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

To elliminate the hidden danger of exposed direct current locomotive transmissionline,this paper discussed the design of automatic control system of piecewise transmission line based on ZigBee.The piecewise transmission line was switched on electric direct current as soon as the actuator

a ZigBee signal from a locomotive nearby and switched off when the actuator

command from PLC.The application results showed that the system could meet the design requirements.

power supply device;locomotive transmission line;ZigBee

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.02.015

TF351；TD63

A

2016-02-19

江西省科技厅科技计划项目（20151BBE50094）

伍昕宇（1989-），男，江西赣州人，助理工程师，主要从事信号处理、工矿自动化等研究工作。

杨文龙（1978-），男，湖北鄂州人，高级工程师，主要从事计算机软件、工矿自动化和矿山安全研究工作。