CN105843150A - 一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统及其控制方法，所述信号系统包括用于实现车辆监测的射频定位子系统、实现现场及室内设备之间的信息交换的通信网络子系统、实现对信号灯的控制的信号灯控制子系统和实现操作员对现场设备状态的监视及控制的人机界面子系统；射频定位子系统通过通信网络子系统分别与信号灯控制子系统和人机交互界面子系统连接。本发明通过矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统对井下车辆实时跟踪监测和定位调度指挥，减少因频繁倒车而造成的油耗及人力资源的损耗，从而降低生产成本，减少工作人员的劳动强度，获得更高的经济效益。

Description

一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统及其控制方法。

背景技术

随着煤矿产业的发展，煤矿机械化、自动化水平的提高，相应的对煤矿井下运输的要求也越来越高，各种新型的运输方式应运而生。煤矿井下运输分为主运输和辅助运输，主运输指煤炭运输，辅助运输指煤炭运输之外的材料、设备、人员和矸石等的运输。带式运输机已经较好的解决了主运输的问题，但辅助运输仍是煤矿运输中亟待研究的薄弱环节。

辅助运输方式有轨辅助运输方式和无轨辅助运输方式。有轨辅助运输以铺设双轨或悬吊单轨为主要特征，例如电机车、单轨吊车等，无轨辅助运输则以胶轮或履带为行走机构，例如无轨胶轮车、电动卡车等。

目前，我国的大中型矿山都有运载人、采掘设备、生产材料、矿石、废石等的井下斜坡巷道。井下斜坡巷道的横断面通常较窄，其宽度只允许车辆单道行驶，若上下行同时有车进入巷道，就会造成交通堵塞，必须一辆车退出巷道让对面的车辆通行。为解决上述问题，每隔一段距离开一个用于会车的硐室。井下运输状况一般较为复杂，若不设信号灯，仍可能会出现相对运动的车辆同时进入同一巷道的情况，引起阻塞甚至撞车，车辆频繁倒车会降低效率、浪费油料、折损车辆行驶寿命，因此，传统的无信号系统或者简易手动信号系统已逐渐不能满足生产要求，设置矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统有其必要性。

此外，由于矿山井下道路湿滑、路面狭窄、路况复杂，若调度不当，极易发生撞车、追尾等事故，从而危及安全，且随着煤矿自动化进程的推进，煤矿运输压力的逐年增加，井下运输系统作为煤矿产业中薄弱环节，会严重影响整个产业的生产效率，故我们必须致力于研究安全、可靠、高效的矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统。

通过矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统对井下车辆实时跟踪监测和定位调度指挥，可以有效地解决车辆避让问题，在规范化行车的基础上可以基本杜绝追尾、撞车等行车事故，排除安全隐患，保障矿山作业人员的安全；通过合理的调度算法可以减少车辆堵塞的可能性，提高矿山井下运输作业效率；此外，可以减少因频繁倒车而造成的油耗及人力资源的损耗，从而降低生产成本，减少工作人员的劳动强度，获得更高的经济效益。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是通过矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统对井下车辆实时跟踪监测和定位调度指挥，有效地解决矿井内单车道行车车辆避让、杜绝追尾、撞车等行车事故；减少因频繁倒车而造成的油耗及人力资源的损耗，从而降低生产成本，减少工作人员的劳动强度，获得更高的经济效益。

为了解决上述技术问题，本发明实现上述目的采用以下技术方案：

一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统，所述信号系统包括用于实现车辆监测的射频定位子系统、实现现场及室内设备之间的信息交换的通信网络子系统、实现对信号灯的控制的信号灯控制子系统和实现操作员对现场设备状态的监视及控制的人机界面子系统；

所述射频定位子系统通过通信网络子系统分别与信号灯控制子系统和人机交互界面子系统连接。

进一步地，所述射频定位子系统包括射频读卡器、以及与其连接的天线，还包括贴在车辆上的与射频读卡器连接的车载电子标签。

进一步地，所述通信网络子系统采用CAN现场总线实现低层现场设备射频读卡器与控制接口计算机之间的连接，所述人机交互界面子系统与信号灯控制子系统之间的通信用工业以太网实现。

进一步地，所述信号灯控制子系统包括S7-200系列PLC、数据库计算机和信号灯，所述数据库计算机和信号灯均与S7-200系列PLC连接；所述数据库计算机和信号灯连接。

进一步地，所述S7-200系列PLC将CPU、I/O模块和电源封装在箱型塑料机壳内，称为CPU模块；所述CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。

进一步地，所述人机界面子系统采用电脑一体机、PC机或平板电脑实现。

本发明还提供一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统的控制方法，所述方法对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制。

进一步地，在进行信号灯控制之前，要确定控制子区域的控制点，每个矿井内单车巷道的两侧各有一个控制点，共有20个监控点，对其沿下行方向依次编号，每个巷道两侧的一组监控点形成一个控制子区域，子区域内的两架信号灯有联锁关系；每个监控点设一架信号灯；第一个监控点和最后一个监控点每处设9个射频读卡器，第二个监控点至倒数第二个监控点每处设3个射频读卡器，相应的采集CAN节点与第二个监控点至倒数第二个监控点所设的射频读卡器的综合相等，控制CAN节点有1个；所述矿井内单车道车辆运行控制信号系统包括十个控制子区域，将每个控制子区域防护同一巷道的两架信号灯看作一个联锁灯组对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制。

进一步地，所述对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制包括下述步骤：

(1)按下开始按钮后，对现场的设备进行初始化，在现场无车的情况下，信号灯亮绿灯，占用表示灯亮绿灯；由自动/人工切换按钮实现自动控制和人工控制模式之间的切换，该按钮为非自复式按钮，平时矿井内单车道车辆运行控制信号系统处于自动控制状态，按下自动/人工切换按钮后，矿井内单车道车辆运行控制信号系统处于人工控制状态；

(2)按下红灯按钮时，矿井内单车道车辆运行控制信号系统无须检查联锁条件，红灯是禁止信号，即使操作员误操作开放红灯也不会对行车安全产生影响，只是影响效率；在紧急情况下，操作员能够关闭信号，为使信号尽快无条件关闭，不设其他联锁条件的检查；当按下红灯按钮，能够使相应的信号灯黄灯闪烁3秒后显示红灯；

(3)根据行车原则，在自动控制状态下出现的五种情况包括：<1>左侧有车先到；<2>右侧有车先到；<3>两侧同时有车到且左侧车的优先级高；<4>两侧同时有车到且右侧车的优先级高；<5>两侧同时有车到且两侧车的优先级相同；

其中，左侧有车先到和两侧同时有车到且左侧车的优先级高这两种情况下信号灯的显示情况相同，另外三种情况下信号灯的显示情况相同，两侧同时有车到且优先级相同时，根据上行优先的行车原则与右侧有车先到同样处理。

进一步地，所述步骤(1)中，人工控制即由操作员按照现场显示的情况，按下绿灯按钮或红灯按钮控制现场相应的信号灯显示，从而控制行车；考虑到操作员的误操作，矿井内单车道车辆运行控制信号系统须对操作员的操作进行联锁检查，符合联锁条件后才能对信号灯显示进行相应的转换；

所述步骤(2)中，绿灯是允许信号，一次系统对按下绿灯按钮的处理与按下红灯按钮的处理不同；按下绿灯按钮时，一次系统必须检查联锁条件为0，即相应巷道无车时才能使红灯熄灭，改亮绿灯，同时，对面信号灯应闪黄灯3秒后亮红灯防护，防止有车从对面驶入巷道；当有车驶入巷道或按下红灯按钮后，绿灯立即熄灭。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供的系统通过对矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统对井下车辆实时跟踪监测和定位调度指挥，可以有效地解决车辆避让问题，在规范化行车的基础上可以基本杜绝追尾、撞车等行车事故，排除安全隐患，保障矿山作业人员的安全；通过合理的调度算法可以减少车辆堵塞的可能性，提高矿山井下运输作业效率；此外，可以减少因频繁倒车而造成的油耗及人力资源的损耗，从而降低生产成本，减少工作人员的劳动强度，获得更高的经济效益。

附图说明

图1是本发明提供的矿井内单车道车辆运行控制信号系统的构成图；

图2是本发明提供的一个控制子区域示意图；

图3是本发明提供的一组信号灯的示意图；

图4是本发明提供的信号灯控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统由四个子系统构成如图1所示，包括以下系统：1、射频定为子系统；2、通信网络子系统；3、信号灯控制子系统；4、人机界面子系统。各子系统相对独立，分别实现各自的功能，系统间又相互联系，共同指挥车辆。射频定位子系统通过通信网络子系统分别与信号灯控制子系统和人机交互界面子系统连接。

射频定位子系统包括射频读卡器、以及与其连接的天线，还包括贴在车辆上的与射频读卡器连接的车载电子标签。

通信网络子系统采用CAN现场总线实现低层现场设备射频读卡器与控制接口计算机之间的连接，所述人机交互界面子系统与信号灯控制子系统之间的通信用工业以太网实现。

信号灯控制子系统包括S7-200系列PLC、数据库计算机和信号灯，所述数据库计算机和信号灯均与S7-200系列PLC连接；所述数据库计算机和信号灯连接。S7-200系列PLC将CPU、I/O模块和电源封装在箱型塑料机壳内，称为CPU模块；所述CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。人机界面子系统采用电脑一体机、PC机或平板电脑实现。

具体各系统功能说明如下：

1、射频定位子系统采用射频识别技术，实现车辆监测。欲实现对井下车辆管理和控制，必须建立在对现场车辆实时、准确的监测之上，我们必须知道哪个车段有车、车辆的优先级是哪一级，才能够实现对信号灯的自动控制，才能建立人机界面将现场情况及时、准确地反映出来。此外，矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统是煤矿综合监控系统的一个重要组成部分，车辆信息作为对于行车安全非常重要的信息，应纳入数据库保存，以便对矿井进行管理。射频定为子系统硬件包括射频读卡器、天线、车载电子标签等，它是矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统的基础部分。

2、通信网络子系统实现现场及室内的各设备之间的信息交换，该子系统主要研究信号灯、射频读卡器、PLC、控制接口计算机、人机界面计算机、数据库计算机之间应该用什么进行连接，怎样连接的问题。现场总线应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。本系统采用CAN现场总线实现低层现场设备读卡器与控制接口计算机之间的连接，而管理层与控制层之间的通信用工业以太网实现，该子系统是矿井内单车道固定会车车辆运行控制信号系统的重要部分。

3、信号灯控制子系统实现对信号灯的控制，其主要由S7-200系列PLC、数据库计算机、信号灯等构成。该子系统的重点在于设计先进合理的调度算法，编程实现对信号灯的可靠控制。在明确该系统需实现的功能、信号灯灯光显示含义及行车原则、信号灯之间的联锁关系、PLC的输入输出量等的基础上用梯形图语言实现编程。因此，该子系统是矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统的核心部分。

4、人机界面子系统由人机界面子系统构成。该子系统应具有友好的人机交互界面，实现操作员对现场设备状态的监视及控制，它是矿井内单车道固定会车点车辆运行控制信号系统不可或缺的部分。

实施例

该煤矿矿井内斜坡道长3000米，平均坡度13％，每隔300米设一个会车硐室，共有9个会车硐室，10个行车巷道，每个巷道两侧各有一个控制点，共有20个监控点，对其沿下行方向依次编号，每个巷道两侧的一组监控点形成一个控制子区域，子区域内的两架信号灯有联锁关系。一个控制子区域示意图如图2所示。图2中，第一个小圆点表示红灯，第二个小圆点表示黄灯，最后一个小圆点表示绿灯。

每个监控点设一架信号灯，共得信号灯20架。监控点1和20每处设9个射频读卡器，监控点2—19每处设3个射频读卡器，共设射频读卡器72个，相应的采集CAN节点有72个，控制CAN节点有1个。

本系统采用的是S7-200系列PLC。S7-200是整体式PLC，它将CPU、I/O模块和电源装在一个箱型塑料机壳内，称为CPU模块。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。共需PLC数字量823点，考虑备用量，采用4个S7-200PLC站可以实现对整个矿井信号系统的控制。

本系统包括十个控制子区域，将每个控制子区域防护同一巷道德两架信号灯看作一个联锁灯组，这十组信号灯控制程序类似，故只以一组信号灯为例进行程序设计说明，如图3所示。

I0.0～I1.2，I2.1～I2.5均为接收射频读卡器的车辆占用信息的PLC输入点，当其为1时表示监测到有车经过，当其为0时表示未监测到有车经过。

I3.1、I3.0、I4.1、I4.0为接收小车优先级信息的PLC的输入点，00表示无车，优先级最低，01、10、11表示的小车优先级依次升高，虽然小车的优先级用两位数字量表示就已经足够了，但为了方便比较小车的优先级，将优先级信息保存到类型为字节的变量存储器中。

I1.3、I1.5、I1.6、I2.0为接到人工控制的红绿按钮上的PLC的输入点，当其为1时表示按钮在按下状态，当其为0时表示按钮在弹起状态；I5.0接至人工/自动切换按钮，该按钮为非自复式按钮，其常闭触点接通程序的自动控制部分，其常开触点接通程序的人工控制部分；I5.1、I5.2分别接至开始按钮和终止按钮，当他们为1时分别表示开始和结束程序。

Q0.0～Q0.5为控制信号灯显示的PLC输出点，当其为1时，接通对应的信号灯。其中，黄灯接到SM0.5上，SM0.5提供占空比为1:1，周期为1秒的脉冲，Q0.1和Q0.4相当于控制接通和断开黄色闪灯的开关。

Q0.6～Q1.6为接通占用表示灯的PLC的输出，点当其为0时，表示无车道占用，占用表示灯显示为绿色，当其为1时，表示有车占用，占用表示灯显示为红色。

信号灯控制程序流程如图4所示，本程序可实现对信号灯灯的自动控制和人工控制。按下开始按钮后，先对现场的设备进行初始化，在现场无车的情况下，信号灯亮绿灯，占用表示灯亮绿灯。由自动/人工切换按钮实现自动控制和人工控制模式之间的切换，该按钮为非自复式按钮，平时系统处于自动控制状态，按下自动/人工切换按钮后，系统处于人工控制状态。

人工控制即有操作员按照现场显示的情况，按下绿灯按钮或红灯按钮控制现场相应的信号灯显示，从而控制行车。考虑到操作员可能误操作，系统必须对操作员的操作进行联锁检查，符合联锁条件后才能对信号灯显示进行相应的转换，以保证行车安全。

按下红灯按钮时，系统无须检查联锁条件，因为红灯是禁止信号，即使操作员误操作开放红灯也不会对行车安全产生影响，只是影响效率，此外，在紧急情况下，操作员应能关闭信号，为使信号可以尽快无条件关闭，不设其他联锁条件的检查。因此，按下红灯按钮，就可以使相应的信号灯黄灯闪烁3秒后显示红灯。

绿灯是允许信号，一次系统对按下绿灯按钮的处理与按下红灯按钮的处理不同。按下绿灯按钮时，系统必须检查联锁条件Q1.0为0，既相应巷道无车时才能使红灯熄灭，改亮绿灯，同时，对面信号灯应闪黄灯3秒后亮红灯防护，防止有车从对面驶入巷道。当有车驶入巷道或按下红灯按钮后，绿灯立即熄灭。

根据行车原则，在自动控制状态下可能出现五种情况，即：左侧有车先到；右侧有车先到；两侧同时有车到且左侧车的优先级高；两侧同时有车到且右侧车的优先级高；两侧同时有车到且两侧车的优先级相同。其中，左侧有车先到和两侧同时有车到且左侧车的优先级高这两种情况下信号灯的显示情况相同，另外三种情况下信号灯的显示情况相同(两侧同时有车到且优先级相同时，根据上行优先的行车原则与右侧有车先到同样处理)。以左侧有车先到为例。

初始状态即两侧都亮绿灯。当在Q1.5表示有车占用的情况下读卡器I0.1监测到车辆，或者Q1.6有车占用的情况下读卡器I0.2监测到车辆，且读卡器I0.6和I0.7未监测到车辆时，表示左侧有车先到。此时，左侧灯亮绿灯、右侧灯亮黄灯(禁止信号，防止右侧有车进入巷道)。当读卡器I0.4监测到车辆时，表示车辆进入巷道，此时，左侧灯闪黄灯，右侧灯亮红灯。左侧灯闪黄灯3秒后，左侧灯亮稳定红灯，此时两侧灯都亮红灯，两侧都防止车辆进入巷道。当读卡器I0.6或读卡器I0.7监测到车时，表示车辆已经离开巷道，两侧灯同时变绿灯，回到初始状态。根据输出量的状态，可以将一个周期的过程分为四步。

其顺序功能图如图4所示，步5.5表示初始状态，两灯亮绿灯；步5.6表示车进入接近区段后左侧灯亮绿灯，右侧灯闪黄灯；步5.7表示车进入巷道左侧灯闪黄灯，右侧灯亮红灯，步6.0表示3秒后两灯都亮红灯，当车离开巷道后，再次回到初始步5.5，即两灯都亮绿灯。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿井内单车道车辆运行控制信号系统，所述信号系统包括用于实现车辆监测的射频定位子系统、实现现场及室内设备之间的信息交换的通信网络子系统、实现对信号灯的控制的信号灯控制子系统和实现操作员对现场设备状态的监视及控制的人机界面子系统；

所述射频定位子系统通过通信网络子系统分别与信号灯控制子系统和人机交互界面子系统连接。

2.如权利要求1所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统，其特征在于，所述射频定位子系统包括射频读卡器、以及与其连接的天线，还包括贴在车辆上的与射频读卡器连接的车载电子标签。

3.如权利要求1所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统，其特征在于，所述通信网络子系统采用CAN现场总线实现低层现场设备射频读卡器与控制接口计算机之间的连接，所述人机交互界面子系统与信号灯控制子系统之间的通信用工业以太网实现。

4.如权利要求1所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统，其特征在于，所述信号灯控制子系统包括S7-200系列PLC、数据库计算机和信号灯，所述数据库计算机和信号灯均与S7-200系列PLC连接；所述数据库计算机和信号灯连接。

5.如权利要求4所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统，其特征在于，所述S7-200系列PLC将CPU、I/O模块和电源封装在箱型塑料机壳内，称为CPU模块；所述CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。

6.如权利要求1所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统，其特征在于，所述人机界面子系统采用电脑一体机、PC机或平板电脑实现。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的矿井内单车道车辆运行控制信号系统的控制方法，其特征在于，所述方法对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在进行信号灯控制之前，要确定控制子区域的控制点，每个矿井内单车巷道的两侧各有一个控制点，共有20个监控点，对其沿下行方向依次编号，每个巷道两侧的一组监控点形成一个控制子区域，子区域内的两架信号灯有联锁关系；每个监控点设一架信号灯；第一个监控点和最后一个监控点每处设9个射频读卡器，第二个监控点至倒数第二个监控点每处设3个射频读卡器，相应的采集CAN节点与第二个监控点至倒数第二个监控点所设的射频读卡器的综合相等，控制CAN节点有1个；所述矿井内单车道车辆运行控制信号系统包括十个控制子区域，将每个控制子区域防护同一巷道的两架信号灯看作一个联锁灯组对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制。

9.如权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，所述对矿井内单车道车辆的信号灯进行控制包括下述步骤：

(1)按下开始按钮后，对现场的设备进行初始化，在现场无车的情况下，信号灯亮绿灯，占用表示灯亮绿灯；由自动/人工切换按钮实现自动控制和人工控制模式之间的切换，该按钮为非自复式按钮，平时矿井内单车道车辆运行控制信号系统处于自动控制状态，按下自动/人工切换按钮后，矿井内单车道车辆运行控制信号系统处于人工控制状态；

(2)按下红灯按钮时，矿井内单车道车辆运行控制信号系统无须检查联锁条件，红灯是禁止信号，即使操作员误操作开放红灯也不会对行车安全产生影响，只是影响效率；在紧急情况下，操作员能够关闭信号，为使信号尽快无条件关闭，不设其他联锁条件的检查；当按下红灯按钮，能够使相应的信号灯黄灯闪烁3秒后显示红灯；

(3)根据行车原则，在自动控制状态下出现的五种情况包括：<1>左侧有车先到；<2>右侧有车先到；<3>两侧同时有车到且左侧车的优先级高；<4>两侧同时有车到且右侧车的优先级高；<5>两侧同时有车到且两侧车的优先级相同；

其中，左侧有车先到和两侧同时有车到且左侧车的优先级高这两种情况下信号灯的显示情况相同，另外三种情况下信号灯的显示情况相同，两侧同时有车到且优先级相同时，根据上行优先的行车原则与右侧有车先到同样处理。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，人工控制即有操作员按照现场显示的情况，按下绿灯按钮或红灯按钮控制现场相应的信号灯显示，从而控制行车；考虑到操作员的误操作，矿井内单车道车辆运行控制信号系统须对操作员的操作进行联锁检查，符合联锁条件后才能对信号灯显示进行相应的转换；

所述步骤(2)中，绿灯是允许信号，一次系统对按下绿灯按钮的处理与按下红灯按钮的处理不同；按下绿灯按钮时，一次系统必须检查联锁条件为0，即相应巷道无车时才能使红灯熄灭，改亮绿灯，同时，对面信号灯应闪黄灯3秒后亮红灯防护，防止有车从对面驶入巷道；当有车驶入巷道或按下红灯按钮后，绿灯立即熄灭。