基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统研制

1、 江苏大学硕士学位论文基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统研制姓名:段德功申请学位级别:硕士专业:控制工程指导教师:高国琴20081217江苏大学工程硕士学位论文摘 要我国煤矿安全规程中规定:“在新建和改扩建的大型矿井井底车场的运输大巷,都应设有信号集中闭塞系统, 即信集闭系统。 煤矿井下运输的计算机生产管理和信集闭系统是提高井下运输能力、保证安全生产的重要手段,是一种现代化的井下轨道运输的生产管理、指挥调度系统。本课题是以总线为通信方式、以基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统为智能终端组成的矿井“信、集、闭”系统的设计。针对系统的实时性、可靠性等关键技术问题做了理论分析和技术实现。通

2、过对仿真电缆的测试,确定了总线井下远距离传输屏蔽电缆。课题以单片机为主控制器设计的道岔控制系统智能终端具备司机遥控扳道、手动按钮扳道功能。通过增加光电隔离、看门狗电路等方法提高系统运行可靠性。并针对现场操作的特点增加了道岔动作过程屏蔽误操作、道岔卡住自动复位等安全措施。使用汇编语言编写了系统软件。投产运行后表明该系统工作稳定、操作和维护简单,系统连线简单、扩展性强,易于实现煤矿网络化控制和管理,具有很大的发展潜力和广泛的应用前景。关键词:“信集闭”系统,单片机,总线,道岔江苏大学工程硕士学位论文 :”.”, , ., . “ , ? . ., ,. .,、 .,. .:“ ”,?,学位论文版权

3、使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。在年解密后适用本授权书。保密口,本学位论文属于不保密囹。导师签名:学位论文作者签名:穆砀毛伺各签字日期:.,。多年协月占日签字日期:州子年侈日独创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成

4、果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:穆功上月 日期:朋多年 江苏大学工程硕士学位论文第一章 绪论.课题研究背景与意义我国正处于国民经济持续、稳定发展的历史时期,煤炭作为我国的第一能源,其发展状况对国民经济的发展起着至关重要的作用。与当今高科技发展相适应,为了实现煤炭高产高效,煤炭生产现代化和信息技术的应用是大势所趋。我国煤矿安全规程中规定:“在新建和改扩建的大型矿井井底车场的运输大巷,都应设有信号集中闭塞系统”,即信集闭系统。煤矿井下运输的计算机生产管理和信集闭系统是提高井下运输能力、保证安全生产的重要

5、手段,是一种现代化的井下轨道运输的生产管理、指挥调度系统。保证行车安全的前提下提高运输效率,是矿井运输信集闭监控系统追求的目标。要保证运输安全,机车转轨显得尤为重要。我国井下道岔控制系统大多数采用安全型继电器控制来实现。这种控制方式在设计时需绘制大量的电气原理图、接线图,设计工作量较大。随着煤矿不断开拓,井底车场线路发生变更时,控制系统修改工作困难,且系统完成功能也受到继电器控制的限制,有些功能不能尽人意。近几年,控制方式趋向多样化,除继电器控制方式外,有设计采用微机控制、可编程序控制器控制、可编程逻辑器件控制等方式。这些控制模式不是系统的扩展性和适应性差,就是系统投资高,稳定性不够,影响了系

6、统的使用和推广。因此,有必要研制一种新型的扩展性好、稳定性高、适应性强、投资省、性价比高的控制系统,鉴于此提出了“基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统”的研究课题。.课题的国内外研究现状矿井“信、集、闭系统中,信号是指示列车运行和调车等作业的命令,集中是通过技术方法使信号、道岔和进路按一定程序并且满足一定条件才能动作的相互制约的关系,闭塞是指用信号或凭证保证列车按空间间隔制运行的技术方法。年代初,由原苏联援建的东北几座大型矿井首先采用了“信、集、闭”系统。年原煤炭工业部成立了“矿井信集闭研制工作组,为我国煤矿自行设计、制造、安装第页江苏大学工程硕士学位论文第一套国产“信、集、闭系统迈出了第

7、一步。后来,有关生产厂家也生产出数十套系统,但能够稳定运行并取得较好经济效果和社会效益的只有十余家包括冶金矿山,绝大多数矿山不是没有安装就是安装后不能正常运行。从年代以后的余年,信集闭系统并未在我国矿井中推广,主要原因就是过去厂家生产的监控系统可靠性不高,容易出故障,不能在井下长期运行。余年来,无论是从前苏联引进的,还是我国自行研制和生产的系统,其技术路线和技术方案没有根本性的改变,系统都是以继电器为基本元器件组成的,各逻辑关系都由继电器实现。进入年代,元器件水平和计算机的推广应用都有了很大进展,为研制高性能的矿井信集闭系统提供了物质基础。年代,随着我国煤炭工业的发展,矿井生产能力和安全要求不

8、断提高,矿井信集闭系统也有了长足的发展,许多院校和科研单位相继研制和生产轨道运输监控系统,并被许多生产矿井所采用。比较知名的有:天地科技股份有限公司常州自动化分公司煤炭科学研究总院常州自动化研究所研制的型矿井轨道运输监控系统,它是一种单板机式分级计算机实时控制系统;合肥工业大学高科信息技术有限公司研制的型矿井轨道运输监控系统,该系统是一套基于控制的隔爆兼本安型轨道运输监控系统,以三级或二级计算机网络为核心,在地面主控室对井下大巷的矿车运输实现监控和自动调度;中国矿业大学研制的型矿井轨道运输监控系统,采用作为控制主机及模拟显示的集中控制系统,系统不设分站,主机与现场设备通过电缆直接通信。和分别在

9、年和年通过部级鉴定,达到年代国际先进水平。的改进型系统,对传感和通讯技术进行了创新,且主机故障时,系统可集控调度而不影响生产,年通过部级鉴定,达到年代初国际先进水平。可以说,我国的矿井信集闭系统与国际技术水平保持基本同步。在国外,矿井信集闭系统尤其是机车监控技术已有较高的水平,如威尔士王子矿已于年采用了矿车监控系统,监督井下任一区段内任意一辆矿车的运行情况,并且记忆、打印有关的数据。其系统是将井下被监测区划分成若干区段,每个区段的进出口处安设一个传感器,通过电缆与微机、键盘、显示器、打印机等外围设备形成一个矿井监督系统。在原西德,采用机车运输的煤矿较多,因而机车监控系统发展较快。比较典型的如鲁

10、尔矿区的布鲁门塔尔矿,自年开始在水平.后扩到长的运输大巷使用了机车无人驾驶系统。系统包括安装在调度室内的逻辑安装柜、操作台、工业电视以及室外的感应线、计数计轴器、转辙机和其他辅助设备。在控制范围内可根据第页江苏大学工程硕士学位论文煤仓煤位和机车分布情况进行优化自动调度指挥。采用该系统后,每米巷道投资费用比胶带运输低%;运输事故与人工驾驶相比,由每年.起降为.起,出轨事故由每年起降为.起;吨公里运输成本降低%,取得了相当可观的经济效益、.课题研究的主要内容矿井“信、集、闭”系统是一个非常复杂的监控系统,本设计是与安阳市中煤机械制造有限公司的合作科研课题。本文对此系统的设计思想、系统组成、系统功能

11、、系统特点及关键性技术做了简单介绍,重点论述了系统中已完成并投入生产运行的基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统,包括系统的基本构成、工作原理、软硬件设计及相应的抗干扰设计与措施,即文章的第、章内容。第页江苏大学工程硕士学位论文第二章矿井“信集闭系统在现代矿井中巷道运送矿物、矸石、人员、材料及设备等的主要工具是电机车。为了保证机车运行的安全、高效,将井下道岔、信号灯、信号发送器等设备及控制信号集中到主控室控制,并根据现场需要实现它们之间的相互闭锁和解锁等,由此构成的井下运输“信号、集中、闭塞”系统又简称“信、集、闭系统,可实现运输区段相互闭塞,电气控制相对集中,调度实时监督控制等。.设计思想

12、煤矿井下运输的计算机生产管理和信集闭系统是提高井下运输能力、保证安全生产的重要手段,是一种现代化的井下轨道运输的生产管理、指挥调度系统。保证行车安全的前提下提高运输效率,这是矿井运输信集闭监控系统追求的目标。煤矿安全规程中规定:“在新建和改扩建的大型矿井井底车场的运输大巷,都应设有信号、集中、闭塞系统,即信集闭系统。我国煤矿井下“信、集、闭系统大多数采用安全型继电器联锁控制来实现。这种控制方式在设计时需绘制大量的电气原理图、接线图,设计工作量较大。随着煤矿不断开拓,井底车场线路发生变更时,控制系统修改工作困难,且系统完成功能也受到继电器控制的限制,有些功能不尽如人意。近几年,“信、集、闭”系统

13、的控制联锁方式趋向多样化,除继电器联锁控制方式外,有设计采用微机联锁控制、可编程序控制器联锁控制、可编程逻辑器件联锁控制、单片机控制等方式。矿井“信、集、闭系统设计需求原则分析如下:一、确保井下的安全运输。为杜绝井下轨道运输列车的追尾和撞车事故,本系统采用计算机来控制和监测信号灯及电动道岔,对机车的位置进行监测。在模拟显示屏上显示机车位置编号及信号灯和电动道岔的状态,实现对机车进路区间的自动开放、自动闭锁,从而保证人、材料、煤石等各种列车的安全运行。二、提高运输效率。本系统采用全程进车路线一次排定、在计算机的控制下自动逐段开放、对敌对进路进行区间闭锁、并逐段解锁的运行方式,最大限度地提高列车的

14、通过能第页江苏大学工程硕士学位论文力,减少列车的停候时间,实现高效运输。三、提高煤矿的生产管理、指挥调度及安全监测能力。提高当前煤矿的管理水平,确保煤矿安全生产是煤矿生产的当务之急,将煤矿的指挥调度、安全监测及井下“信、集、闭系统组成一个现代化的计算机生产管理系统是本系统的基本设计思想,利用计算机管理可实现煤矿高效、安全生产。.通讯方案比较与选择矿井“信、集、闭系统可采用常见的串行总线或一总线作为设备之间的通讯方式,也可采用先进的总线或以太网作为网络通讯方式。各种方案比较如下:采用方式通讯的系统有非常大的局限性,只能实现点对点操作,中央处理器的负担较大,不便于系统扩充,可通讯距离非常短,不适于

15、远程操作;而且,系统成本较高。采用总线的系统在整体性能上好于的系统,因其是总线形式,方便扩充,但是随着矿井“信、集、闭”系统智能化程度要求越来越高,功能越来越强大,总线的节点越来越多的情况下,一的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等不足和缺陷逐渐体现出来。矿井“信、集、闭系统扩展也受一本身的制约,已不能适应大中型矿井的控制需要。本课题采用先进的总线通讯系统。使用这种工业级的通讯方式,可以保证通讯数据的可靠性、实时性;在实际建设中,总线成本和方式成本大体相当,甚至在较大型的系统中,总线的整体成本还略低于一

16、系统。而且总线容错性能好,可以大大降低后期的维护、维修、扩充成本。整个系统中,通讯主干线仅为条双绞线,各个通讯终端的控制器直接连接到总线上;各个控制器在网络中的地位可以是平等的,即没有“主机和“从机的概念,任何一个节点都可以启动数据的传输,避免了采用.的主机轮询方式,从而保障数据的实时性。在.总线上,既可以实现点.点之间的通讯,也可以实现多点广播方式的通讯,实时性和灵活性都可以得到良好的保证。第页江苏大学工程硕士学位论文例如,司控道岔系统可以根据现场道岔扳道情况及运输车位置,直接传输道岔扳道现状机车位置到模拟显示屏显示出来;而不必先传输到管理机上,再由管理机传到模拟显示屏。当然管理机也可以接收

17、到该信息,用于数据库记录。系统中的总线网络采用直线拓扑结构,各设备节点通过支线连接在总线主线上。管理节点采用安装接口卡的通用机,与执行不同功能、安装不同位置的终端设备进行通讯。.系统工作原理、进路的开放矿井“信、集、闭”系统分三种方式开放进路:站道信号、问讯开放、自由开放自身触发开放。站道信号一般在准轨大铁路上应用,这种方式较适用于列车独占某段铁道,铁路线相对较长、车速较快的场合;问讯开发的方式比较适合用在铁道线比较复杂、出车比较集中且行车比较有规律的场合。自由开放方式是一种比较适合现代矿井“信、集、闭系统采用的进路开放方式,其主要特点就是信号开放灵活、减少人工干预、实时反映机车运行动态、最大

18、可能地提高机车的运输周转率。而现代化的矿井,机车运行的特点又主要表现在车速高、重载、周转频繁上,所以采用自由开放方式应该是现代化矿井“信、集、闭系统的一种发展方向。、信号的采集在矿井“信、集、闭”系统中,信号的采集是最关键也是最频繁的,信号采集是否准确可靠直接影响到整个系统的性能。从我国“信集闭”系统的发展来看,过去所用的信号采集器件主要有:辅助导线、水银开关、超声、无线感应等。但这些采集元件均以采集可靠性差和维护量大等,而慢慢被淘汰。本课题采用了无源传感器和光耦共同作用实现信号的采集。、道岔的转换对道岔的转换实行无线遥控式自动道岔控制系统,即司控。司控是现代化矿井衡量“信、集、闭”系统自动化

19、程度高低的又一标准。考虑到今后的系统进一步向集中管理、集散控制的自动化发展的需要。如何实现矿井道岔的自动控制为本系统研究的关键,即机第页江苏大学工程硕士学位论文车司机在远方通过信号机的指示按自己的行车方向提前转换道岔,不需停车去手扳道岔。本系统采用两种控制模式:正常运行时进路采用自由开放方式,道岔的转换采用司控的方式;当行车方式因特殊情况有变时,进路由调度集中办理,道岔的转换依然是司控方式。如果司控错误,司机可以根据信号机的显示停车操作按手动钮实现扳道,停电时还可以用手动摇把转换道岔。.系统构成本系统以集散控制式计算机工控网络为核心,所用工控网络采用总线直线拓扑结构网络通讯。系统由地面的生产管

20、理指挥调度中心、井下调度站、现场计算机分站、传感器数据采集系统及执行部件等五大部分组成。按分级分布式控制的方案,系统的计算机可分为三级,第一级为布置在井上调度室的管理计算机;第二级为布置在井下调度站的“信、集、闭系统主监控计算机;第三级为布置在现场的执行控制计算机。这样可以将井下运输的生产管理和信集闭系统分解成几个控制任务不同的层次,由各层的控制计算机分别完成,而计算机通讯网则将各层的计算机联接起来,以传递各层之间的各种命令、信息和数据。、生产管理指挥调度中心该指挥调度中心设在地面,是全矿生产管理、指挥调度、安全监测及井下“信、集、闭”的管理中心,是全矿计算机管理体系最高层,是计算机集散系统集

21、中管理的核心。根据全矿计算机管理体系的规模大小、任务的多少而采用不同的计算机,并用计算机网络及各级计算机组成整个系统。该计算机网络系统可集全矿的生产、计划、财务、人事、设备、储运、在建工程及指挥调度、能源动力管理、井下安全监测、信集闭、皮带运输于一体,以实现煤矿安全、高效、低耗生产。本课题所设计的井下“信集闭系统预留与井上生产管理指挥调度中心的通讯接口,根据煤矿实际需要,可与井上部分联网通讯,实现整个矿井的网络化管理。、井下调度站该调度站主要是完成井下信集闭系统功能,由专用的工业控制计算机所组成。实现机车运输的迸路开放、区间闭锁、机车运行控制显示等,是信集闭系统主监控计算机。第页江苏大学工程硕

22、士学位论文、现场计算机分站现场计算机分站为执行计算机,在上级计算机的管理下控制和检测现场的各种设备,这一级可采用可编程控制器,也可用总线、总线的工控机或单片机。、传感器数据采集系统该系统采用井下机车位置和编号传感器数据采集系统取得机车的信息以及道岔状况。本系统所采用的传感器为磁性接近开关,属无源传感器。它适用于煤矿井下、井口及迸风巷道等各种场合。其结构简单,安装、使用、维护方便,防护等级高达,可以采集各种现场信号,满足了现场的特殊需求。“信、集、闭系统除对信号采集的可靠性有较高要求外,还有一些显著特点,即采集信号多、采集点分散、线路长等。尤其是现在随着自动化水平的提高和矿山管理制度的不断完善,

23、模拟显示屏也在矿山信集闭系统中相继出现,随之就出现了车位或区间显示,对传感器的可靠性、安装、维护等提出了更高要求。在矿井“信、集、闭系统中,模拟显示屏主要是用在调度室供调度了解运输状况。通过它调度可以直观整个控制车场的运输过程,并且还可以监视违章。也可以采用上位组态来监视运输状况,它的优点是对行车比较灵活、改动比较频繁的矿井能随时作出灵活处理。此外,软件的可操作性强,还可对故障报警进行存档。.系统功能本“信、集、闭系统的主要功能:、井上部分、可在地面总调度室实时显示井下机车运行情况,并显示机车号。、系统具有机车实时运行记录,可生成故障记录表,并具有故障画面重演功能。、可对机车进路进行增加、删除

24、及修改。、能方便的进行计算机联网,纳入整个煤矿的计算机管理系统。、井下部分、系统井下调度站,具有自动和人工调度两种工作方式。可由值班调度员操作,按进路要求指挥机车运行。、系统可对井下机车运输范围内的机车、信号机及电动道岔进行监测及控制。第页江苏大学工程硕士学位论文、进路开通后,可实现区间信号的自动开放、闭锁及电动道岔的控制。、井下调度站的模拟屏上可显示机车位置、机车号,显示信号机和电动道岔的工作状态。、系统具有自动检测、故障自动判断及声光报警功能。、井下调度站模拟显示屏具有操作内容和故障内容的汉字显示功能。、电动道岔设有就地控制功能,但须经调度员特别授权后才能工作。、系统抗干扰、纠错、容错能力

25、强。在部分设备、传感器发生故障情况下系统能正常运行。、各设备传感器之间光电隔离。故障偶然发生时也不扩散。、留有与矿井上位计算机系统联网的接口。、系统具有可扩展的功能为适应现场实际需求的变化,本系统具有一定升级空间,可进行各项功能的扩展。.系统特点及对关键性技术问题的解决方案.系统特点矿井“信、集、闭系统由于实际使用环境限制,对系统的实时性、可靠性、稳定性要求极高,本系统在此方面有显著特色。.实时性、总线结构:采用总线结构,系统设备增减方便,系统可大可小。、手动控制和自动控制相结合:保障系统出现故障时不影响生产。、软件超强容错:由于总线网络具有非常强大的容错技术,因此,单个节点硬件出现故障时,不

26、影响整个系统的正常运行。、定位系统:传感器数据采集系统可实现机车精确定位,以及道岔状况的实时显示。、可靠性高:采用工业控制计算机以及大量的工业级芯片,提高了设备的稳定性。、网络功能,可实现远程管理。.可靠性:第页江苏大学工程硕士学位论文、系统的井下分站采用专用工业控制计算机,各设备大量采用工业级芯片,提高了设备对恶劣环境的适应能力。如,选用带隔离的总线收发器既满足通信需求,又做到电气隔离,即使电缆上窜入的高压,也能将损失控制在极小范围。、利用总线通信,并采用适度的软件冗余技术设计,软件中有大量抗干扰、纠错、故障定位程序,使得系统具有很强的容错工作能力。、系统中所有设备都能被其他智能设备监视,全

27、部信号线都可设短路、断路保护及检测,任何设备或电缆发生故障时,系统都能准确定位,立时报警。.对关键性技术问题所采取的措施、系统的抗干扰由于矿井环境的限制,矿井“信集闭系统尤其是井下系统的电气环境差、干扰严重。因此,在有关的输入控制电路采用了光电隔离技术、输出电路也采用了光耦和继电器双重隔离技术。同时,在系统的合理接地、屏蔽、解决压降、电缆铺设等方面也采取了相应有效的措施,确保了装置和系统的可靠运行。、运行状态的确认正确控制的基础来至于正确的状态判断,所以仅仅解决干扰问题是不够的。因为在系统状态改变的过程中,会出现各种意想不到的情况,如遇到道岔转换过程中的夹矸、挤岔、机车运行中的闯红灯报警等。如

28、果处理不当,就会发生走错方向、掉道、甚至叉腰、撞车等重大事故。因此系统在这方面采取了严格措施,使各种异常情况都快速准确地显示在系统的正确监控之下,从而进行方便有效的处理。、接点可靠性处理由于现场潮湿等原因,接点常常接触不良,尤其在环境恶劣、动作比较频繁的井下,更是如此。因此本课题也采取了相应的措施来进行必要的技术处理。综上所述,本矿井“信、集、闭系统采用总线现场网络控制,充分发挥了远程智能化控制优点,自动转换的司控道岔、监视运输状态的模拟显示屏、准确实时的车位显示、自由可靠的进路开放方式等既能保证电机车的安全畅通,又能大大提高生产效率。本“信、集、闭系统能显著减少地电机车的起、停次数,延长电机

29、车的使用寿命,还可以明显减少事故隐患,保证运输安全。由于司机可在车上控制道岔的转换,不需停车和人工扳道岔,进路也采取自由开放的形式,因此大大地减轻了工人的劳动强度。同时系第页江苏大学工程硕士学位论文统的自动化水平也随之提高,为实现全矿井自动化奠定了基础,社会效益十分明显。通过无线遥控式自动道岔控制系统的运行,表明本系统工作稳定、操作和维护简单,系统硬件连线简单、扩展性强,易于实现煤矿网络化控制和管理,提高井下车场机车通过能力,保证机车的安全运行,满足矿井开拓后车场局部变更的需要。本课题是与安阳中煤机械制造有限公司的合作项目,已完成井下“信、集、闭”系统中有关道岔控制部分,即:基于单片机的无线遥

30、控直流电动道岔控制系统。后续章节将对此系统展开详细介绍。第页江苏大学工程硕士学位论文基于单片机的无线遥控电动道岔控制系统设计第三章.设计背景铁路机车运输是矿井运输大巷的主要运输方式之一。随着矿井生产的发展,运输量的不断增长,列车的行车密度相应增大,运输效率和行车速度也相应地提高,因此对铁路道岔设备有了更高的要求。以前,矿井大量运行的机车道岔控制系统多数都采用手动控制,其控制、检测和保护的技术水平不高。由于电机车的运行情况直接影响到矿井的运输能力,进而影响到整个矿井的产量,特别是大型矿井和老煤矿。而且许多大中型矿井运输线路长、道岔多,如果所有道岔的转换都采用人工手动操作,不但会造成电机车的频繁启

31、动和停止,加剧设备的磨损,缩短设备的寿命,而且降低了运输效率,提高了运输成本。同时,也会使电网电压波动严重。近几年来,虽然一些大型矿采用了电动道岔控制技术,也出现了司控道岔,使道岔控制的落后局面有所改进。但由于这些系统多数采用单频模拟信号的遥控方式或者继电器控制,控制技术落后,信号的收发不可靠,极易受井下其它通信设备影响如载波电话、对讲机等,再加上井下潮湿、有水等恶劣环境,使得系统经常出现接触不良、道岔转换不到位、烧电机、甚至转辙机误动作而引起车翻人伤的事故。而且维修麻烦,严重影响了矿井生产的正常进行。因此,需要研制符合各种矿井需要的,而且控制方便、使用灵活、运行可靠的自动道岔控制系统。.控制

32、系统需求分析目前,矿区铁路中最常用是直流电动式转轨机,从控制方式上看,主要有现场操作式、司机遥控式司控式以及调度员集控式三种。常见司控模式是通过安装在机车上的遥控发射机,列车运行经过道岔时,司机发出无线电信号的遥控,控制箱接收信号后电动转辙机实现自动转辙。在无线遥控出故障时,可手动控制箱进行转辙扳岔,在停电状态,可用手动摇把进行转辙扳岔。第页江苏大学工程硕士学位论文对比目前使用的各种道岔司控系统,结合矿井转轨系统实际情况,本课题从以下几方面着手:、满足需求的前提下考虑设备性价比,选用经济实惠的单片机作为系统控制部件。、以小巧轻便的无线遥控器替代安装在机车上的遥控发射机,改善了以往设计中司机只能

33、在机车操作台上操作的局限。、增设道岔通行状况显示屏,该显示屏使用高亮度指示灯,使司机米以外就可判断道岔开启方向,从而为司机做出准确转轨判断预留充足时间。、设置手动按钮,即使在停电或者遥控设备出现故障时也能保证正常转轨。、设置信号采集系统,以实时掌握机车运行状况、现行位置以及道岔现行状况。、充分考虑可能出现的误操作并采取相应处理措施。、鉴于矿井工作环境的复杂性,充分考虑系统运行的稳定安全,加强抗干扰环节设计。、预留通信接口,为接入矿井“信、集、闭系统做准备。.基于单片机的无线遥控式直流电动道岔控制系统.系统构成系统板如图.所示。系统主要由遥控发射及接收电路、单片机控制电路、动作信号输出电路、道岔

34、显示屏和自动复位电路组成,系统组成结构如图.所示。第页图基于单片机的无线遥控直流电动道岔控制系统板图 控制系统构成. 系统工作原理机二行驶,前方规道前,刊机根据行驶需要和前方道龠红绿灯肼娃示确认是仃需要扳道。需拦扳道时,刊机遥控有效距离内按遥控器上前方道甜号棚敏的数镞键.遥控器洲由时后迸衍的遥控接收模块发?扳道指令女与道岔号肘/枷编删,遥控接收模块收到后送给控制泼道翁的单片机,单片机门动将臣编码。奉机编码进行刘比,蒋碥口、江苏大学工程硕士学位论文码一致则发出扳道动作指令,经光电隔离后送给输出继电器,使输出继电器动作,输出继电器动作后整流桥得电,驱动直流转辙机完成扳道操作。位置传感器可以实时监测

35、扳道是否到位。扳道到位时位置传感器发出电信号,该信号一方面送给单片机用来决定道岔不到位时启动自动复位功能,另一方面发给红绿灯转换电路以控制道岔显示屏。道岔显示屏显示道岔号和道路通行红绿灯,道岔号显示由单片机通过驱动电路驱动并控制,道路通行红绿灯则由红绿灯转换电路驱动并控制。道路通行红绿灯除正常一红一绿显示外,还考虑到由于故障原因使道岔扳道未到位情况下的显示,即:扳道未到位只显示道岔号,不显示红绿灯,以提示司机不能通过。系统还设有手动按钮,用于在遥控电路失效时应急使用。第页江苏大学工程硕士学位论文第四章 无线遥控直流电动道岔控制系统硬件设计系统硬件部分主要由单片机控制电路、电源模块、遥控接收及道

36、岔号显示驱动电路、道岔通行红绿灯显示及其驱动电路、直流电动转辙机驱动电路、传感器信号采集电路构成。.主控制器选择主控制器需要完成的工作有:硬件方面需要控制电机正反转,接收位置传感器信号,设置手动按钮,接入总线组成信集闭系统;软件方面实现操作流程方面的需求,比如在电机动作期间屏蔽遥控器和手动按钮以避免误操作。对主控制器口线资源需求如表.所示。表.系统/口需求分析表单元电路 所需资源 备注遥控电路条口线 接收码条,信号指示灯条占用外部并行数据、地址总线条,总线接口 条口线占用中断资源条,控制总线条,信号指示灯条,复位信号条电机控制 条口线 正、反转各条传感器信号采集 条口线硬件看门狗 条口线由于系

37、统还要接入信集闭系统,所以必须考虑主控制器的通信能力,在信集闭系统中需要传输的信息主要包括:控制中心向智能终端发送扳道岔指令,智能终端向控制中心反馈道岔的道岔正常、故障等状态信息,信息量不大,所以对于通信速度要求不高,但由于煤矿系统对安全性的要求高,所以对于通信的可靠性要求很高。基于这些分析,系统选择第页江苏大学工程硕士学位论文了高可靠性工业现场总线总线详见本文.。由于总线的协议相对复杂,所以很多公司都推出了支持协议的通信控制器,这些控制器各有特色,但从和主控制器接口的方便性、性价比等角度考虑,公司的成为首选。直接提供和两种的接口: 系列单片机和的系列单片机。从整个系统的功能要求看,两种都能满

38、足要求,但单片机从市场占有率、开发资源的丰富程度、开发平台的价格等方面都好于系列单片机。因此,系统主控制器选择了公司的单片机。单片机是一种低功耗、高性能 位微控制器。使用公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业产品指令和引脚完全兼容。片上允许程序存储器在线可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的位和在系统可编程,使得单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。提供以下标准功能:字节闪速存储器,字节内部,个/口线,看门狗,两个数据指针,两个位定时/计数器,一个向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,可降至的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工

39、作模式。空闲方式停止的工作,但允许、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作;掉电方式保存中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。.遥控接收模块及道岔号显示驱动电路遥控接收模块及道岔号显示驱动电路接收由无线遥控器发射的信号,并在道岔显示屏上显示当前工作道岔号。电路如图.所示.遥控接收模块遥控接收采用型遥控接收模块。该模块工作电压为,静态电流,其接等余种频率可选,收灵敏度高,可达,工作频率为有该模块最大特点为带解码电路。/是台湾普城公司生产的一种工艺制造的低功耗低价位通用编解码第页江苏大学工程硕士学位论文电路,/最多可有位一三态地址端管脚悬空,接高电平,接低电平,任

40、意组合可提供地址码,最多可有位数据端管脚,设定的地址码和数据码从脚串行输出。编码芯片发出的编码信号由:地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字,解码芯片接收到信号后,其地址码经过两次比较核对后,脚才输出高电平,与此同时相应的数据脚也输出高电平,如果发送端一直按住按键,编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时,不接通电源,其脚为低电平,所以的高频发射电路不工作,当有按键按下时,得电工作,其第脚输出经调制的串行数据信号,当脚为高电平期间的高频发射电路起振并发射等幅高频信号,当脚为低平期间的高频发射电路停止振荡,所以高频发射电路完全收控于的脚输出的数字信号,从而对高频电路完成幅度键控调制相当于调

41、制度为%的调幅。在该道岔控制系统中,遥控接收模块的、脚输出位码,即为道岔号,分别接口的低位。当无线遥控器发射信息时,该模块通过第脚接收相应信号,并送往单片机.管脚。系统通过软件采样.脚,获取无线遥控器发送的信息。电路如图.所示。 , 【. 伍 脚 .册拍巍【窖。 砌姗聊,、 删硒:。图. 遥控接收及道岔号显示驱动电路图第页江苏大学工程硕士学位论文.道岔号显示驱动电路设计道岔号显示用单色制作见图.道岔显示屏,采用七段数码显示,显示控制由单片机实现并驱动。驱动芯片采用能提供单路驱动电流的芯片七路达林顿驱动器阵列,以满足道岔号显示的亮度要求。正常工作时七段数码管常亮,以显示所在道岔的编号,若需要改变

42、编号,则仅需通过拨码盘选择即可。手动按钮两端分别接单片机的外部中断管脚和地线,脚外接上拉电阻。将其设置为下降沿触发方式,当按下时触发外部中断,在中断服务程序中完成扳道功能。.道岔通行显示屏及其驱动电路设计.道岔通行显示屏电路设计道岔通行显示屏由两个道岔红绿灯显示以及道岔号显示三部分组成,用来显示当前道岔号以及机车通行方向。如图.所示。星:仍口口口兰兰兰量。毫兰三兰。气妒。扩。道岔红绿灯 道岔红绿灯道岔号图.道岔通行显示屏道岔号采用七段数码管,正常工作时数码管常亮,显示所在道岔的编号。左右两个道岔红绿灯使用红绿双色制作成通行箭头图形。箭头用来指示机车通行方向,红、绿两色分别表示禁止通行和允许通行

43、。扳道过程中若岔尖未扳到位,则两个箭头均不亮,表示机车不能通过。正常工作时,两个箭头一红一绿;出现故障时如扳道没有到位,两个箭头均不亮。第页江苏大学工程硕士学位论文.机车通行方向红绿灯转换电路设计该电路主要由双路继电器和位置传感器配合完成。机车通行方向由显示屏上箭头指示,正常工作时有两种状态左绿右红或者左红右绿,出现故障时两侧箭头均不亮。电路如图.所示。图.机车通行方向转换电路图位置传感器采用电感式接近开关,属无源传感器。它适用于煤矿井下、井口及进风巷道等各种场合。其结构简单,安装、使用、维护方便,防护等级高达,可以采集各种现场信号,满足了现场的特殊需求。位置传感器安装在铁轨上,当道岔到位时传

44、感器、脚导通,否则断开。为箭头电源,通过改变电源极性来切换两个箭头的红绿光。二极管、用做反电动势保护。系统正常工作时,两个位置传感器的任一电感式接近开关采样到道岔到位时,其、脚导通,使双路继电器或者得电吸合。若继电器吸合,接,接地,此时道岔通行显示屏左绿右红,机车左侧通行;若继电器吸合,接,接地,此时道岔通行显示屏左红右绿,机车右侧通行。若出现故障,比如道岔岔尖没有到位,则两个位置传感器的、脚都不会导通,继电器和自然都不会吸合,两个端子、均悬空,两侧箭头均不亮。各种工作状态如表.所示。表.道岔工作状态与器件、显示屏状态对照表道岔 位置传 位置传 继电器 继电器 端子 显示器箭端子位置 感器 感

45、器 头显示未到位 断开断开 不得电 不得电 悬空 悬空 左灭右灭左边到位 导通 断开 得电 地 左绿右红不得电右边到位 断开 导通 不得电 地 左红右绿得电第页江苏大学工程硕士学位论文.转辙机驱动电路设计转辙机 是铁路系统轨道转换装置的终端执行机构,其主要作用是完成对铁路道岔的牵引,从而改变铁路道岔的开通方向,并反映道岔的位置状态。转辙机以交流、直流电动机或者汽泵为动力实现道岔转换、锁闭和监督功能。本系统转辙机驱动电路如图.所示。图.转辙机.驱动电路图单片机的两个/口.和.通过光耦和控制两个单路继电器和。/口输出低电平有效,即.输出低电平时继电器得电吸合,的、端子导通,电机正转;.输出低电平时

46、继电器得电吸合,的、端子导通,电机反转。和轮流得电分别驱动转辙机完成两个方向的扳道操作。扳道操作不允许和同时得电,即.和.不能同时输出低电平。系统正常工作时,单片机受程序控制不会输出此非法状态.和.同时输出低电平。但为了确保系统可靠,另外设计了一个或门来再次避免和同时得电。当.和.同时为低电平时,或门输出低电平,光耦、都只能处于截止状态,继电器、都不可能得电吸合,转辙机既不能正转也不能反转,不会实现扳道工作。各种工作状态关系见表.。本系统设计的转辙机驱动电路既适用于直流电动转辙机,也可用于气动转辙机,从而使系统更加具有通用性。当使用直流电动转辙机时,第脚接交流接触器;当使用气第页江苏大学工程硕

47、士学位论文动转辙机时,该管脚接电磁阀。表.工作状态关系表光耦 光耦或门输出 继电器 继电器勉高电平 高电平 高电平 截止 截止 不得电 不得电高电平 低电平 高电平 截止. 导通 不得电 得电低电平 高电平 高电平 导通 截止得电 不得电低电平 低电平 低电平 截止 截止不得电 不得电.传感器信号采集电路设计考虑到系统运行过程中可能出现道岔故障,即扳道指令已发出并延时,而道岔仍未到位,此时需要系统复位从而进行故障处理。而单片机要想在系统遇到此类状况时自动发出复位指令,需对位置传感器信号进行采集分析。若直接采集位置传感器信号,则需对两个位置传感器的信号分别采集并进行电平转换由于传感器用的是电源,

48、而单片机使用电源后送单片机处理。这种设计思路会导致硬件和软件都相对复杂且降低工作稳定性。考虑到道岔通行显示屏上箭头电源端子和直接反映了两个位置传感器的状态均不导通或只有一个导通,而自动复位功能又只需关注扳道正常或不正常两种情况的区别,无需判断扳道到位时道岔岔尖具体位于哪个方向,因此可以把采集两个传感器信号的工作简化为采集显示器两个箭头电源端子和是否有电而无需考虑电源极性。基于此,采集电路对两种极性的显示器箭头电源信号用整流桥整流,整流后的单一极性信号送给光耦。光耦这里有两个作用:一是通过信号隔离实现抗干扰,二是实现到的电平转换。的输出送单片机/口.。程序中通过对.状态的检测,实现故障处理。传感

49、器信号采集电路如图.所示。.系统出现故障时,电源端子和都悬空,光耦输出低电平,即可通过软件检测到.为低电平,单片机进行复位处理;系统正常运行时,两个电源端子其中一个为,另一个接地,经过整流桥整流后输出,光耦导通,输出高电第页江苏大学工程硕士学位论文平,软件检测到.为高电平,单片机不进行自动复位。由于的输出只有高、低电平两种状态,所以也简化了单片机的程序设计。图.传感器信号采集电路图.复位及看门狗电路.复位及看门狗电路设计思路工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现,给系统的运行带来诸多问题,使系统无法正常运行而“死机,甚至产生误操作,造成严重的事故,究其原因是在执行某条指令时,受干扰的冲击,使

50、它的操作码或地址码发生改变,致使该条指令出错。这时,执行随机拼写的指令,甚至将操作数作为操作码执行,导致程序“跑飞”或进入“死循环。为使这种“跑飞”或进入“死循环的程序自动恢复,重新正常工作,一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机,则看门狗产生复位信号,引导单片机程序重新进入正常运行。干扰按其来源通常可分为两种:第一、由电压电源引起的干扰:这种干扰因素很多,如减幅振荡、瞬时断电及停电等都会经电源窜入瞬变干扰,引起误动作。实践经验表明,在单片机系统因外部干扰而引起的故障中,%以上是因电源干扰产生的,因此,对电源电压进行监测并采取相应的措施对系统的正常运行

51、非常必要。第页江苏大学工程硕士学位论文第二、由电源以外原因引起的干扰:主要是传输信道的干扰,如杂散电磁场通过感应和辐射进入信道的干扰,由于地阻抗耦合、漏电流等因素产生的干扰等。此类干扰同样可以引起系统程序跑飞或死机等故障。除了从硬件方面加强抗干扰措施以外,使跑飞的程序重新进入正常运行也是很重要的。此外,单片机系统还有正常情况下的复位要求。基于以上考虑,系统应设计抗干扰以及复位环节。而美国公司生产的低价格微处理器专用监控器芯片,减少了在微处理器系统中采用分离元件来实现监控功能所用的元器件数量和复杂性,并能提高系统的可靠性和准确性。而且,除有看门狗作用以外,还有电源电压检测和上电手动复位的功能。因此,设计中选用作为复位芯片,实现看门狗和复位功能。.芯片介绍、弓脚定义魄图. 管脚定义、手动复位输入端/当该端输