基于WinCC和CAN总线的煤矿车辆监控系统的设计

基于WinCC和CAN总线的煤矿车辆监控系统的 谭思云1，田庚2，尤伟军３ （武汉理工大学自动化学院西院62#信箱，湖北 武汉 430070） tiangeng0532@sina.com 摘  要：随着现代工业的迅猛发展，组态软件和总线技术也被越来越广泛的应用于工业控制中。WinCC和CAN总线也以其自身所具有的优势，在工控领域确立了自己的地位。针对煤矿车辆控制的实际情况，本文提出了一种基于WinCC和CAN总线的煤矿车辆监控系统的设计以及车辆监控动态回放部分的具体实现。 关键词：WinCC、CAN、车辆监控、动态回放 Design of Colliery Vehicle Monitoring System Based on WinCC　and CAN Bus Tan Siyun 1 , Tian Geng 2, You Weijun 3 Abstract: With the rapidly development of the modern industry,configuration software and bus-technology have been used in the domain of industry control. At the meantime,WinCC and CAN bus have establish their status for the advantages of themselves too. Due to the actual situation of colliery vehicle control, this paper discuss a design of colliery vehicle monitoring system and dynamic playing back of its data. Keyword: WinCC, CAN, Vehicle monitoring, Dynamic playing back . 1 前言 由于煤矿深埋于地下，其运输通道建设的成本比较高，所以很多煤矿，尤其是一些开采较早的煤矿都是采用单行道旁边设立错车道的方式来解决运输问题的。但是这种运输通道布局如果没有人为对其进行监控就会造成混乱的情况，不利于保证车辆运输的流畅性，进而影响其工作效率。正是由于煤矿的这种特殊的作业环境，决定了对其车辆进行自动控制的必要性。过去很多煤矿都是采用人工方法对其运输的车辆进行控制的，这样要随时联系矿井中的司机，人工的掌握其具体情况，给控制造成了不便。为了解决上述问题，本文设计了煤矿车辆监控系统，采用CAN总线技术，通过WinCC对整个系统进行自动的控制。 WinCC是西门子公司在自动化领域中的先进技术与微软公司窗口软件的强大功能相结合的一种现代化控制中心。 随着现代工业的迅猛发展，组太软件和总线技术也被越来越广泛的应用于工业控制中。WinCC和CAN总线也以其自身所具有的优势，在工控领域确立了自己的地位。 CAN总线在煤矿监控系统中有自己的优势：CAN总线直接通信距离可达10km/5kbps，无须中继，可靠性高；CAN总线采用非破坏性仲裁技术，当巷道内车辆众多，使多个读卡器同时检测到车辆识别码，同时向总线传送数据时，优选级低的节点将主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，从而有效避免总线冲突；CAN总线采用短帧结构，数据帧的数据场为8个节数（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短；CAN的每帧数据都有CRC校验及其它检错，保证了数据传输的高可靠性，抗干扰性高，适合在井下高干扰环境中使用；CAN总线的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。 2系统整体设计思想 整个系统设计的基本原理为：巷道内装有车辆识别卡的运输车辆运行到安装有读卡器的位置时，读卡器便能够监测到具体是哪个车辆，然后通过CAN总线向上位机（WinCC）发送其具体的信息（车辆号和位置），然后WinCC综合现场的情况，根据具体的控制算法输出相应的控制策略，并通过CAN总线把控制命令发送到信号灯控制器以控制相应的信号灯，来达到控制交通的目的。 如图1所示，整个监控系统主要分为上位机、CAN总线、下端监测执行设备三部分。上位机部分包括WinCC以及ZOPC_Server （基于CAN总线的通用OPC服务器），完成系统控制、界面显示以及与CAN总线通信的功能。CAN总线主要是完成数据传输的功能，为了增加传输的距离，本系统采用了透明网桥。 具体的硬件配置为：ISA9620CAN接口卡、KS-401车辆识别卡、KD-402读卡器、KX-403信号灯控制器、KX-404信号灯、KW-405网桥、KJS-02通信电源。 图1 车辆监控系统结构框图 在上层监控部分，本系统根据用户需要分为了三个部分：现场监控、历史回放、数据查询。现场监控主要是对现场的情况进行实时的监视及控制，在监控的同时要把采集的数据及时的处理并写入SQL数据库，为数据的历史回放做准备。历史回放的任务是对历史数据进行处理，并把当时的情况动态真实的反映在监控界面上。数据查询则为了方便用户对数据进行查询和管理而设计的。系统的监控界面如图２所示。 图２　车辆监控系统监控界面 3 控制算法 煤矿的主巷道是由区段和错车场构成，错车场位于区段与区段的衔接处，用于调转方向或者避开对面驶来的车辆。因此，系统把有错车场的一段称为“自由区”，而把“自由区”之间的区段称为“受控区”。如图３所示，D12和D21之间为“自由区”，D21和D24之间为“受控区”。 图３　局部巷道车辆控制示意图 根据实际的情况，把从自由区1到自由区2方向行驶为下行，从自由区2到自由区1方向行驶为上行。综合各种情况，系统监控分成了五种控制状态和四种控制策略。 控制状态Ａ：受控区无车辆。 控制状态Ｂ：受控区只有上行的车辆。 控制状态Ｃ：受控区只有下行的车辆。 控制状态Ｄ：受控区既有上行车辆又有下行车辆，即方向冲突。 控制状态Ｅ：车辆在受控区滞留超时。 控制策略（１）：允许上行，允许下行。 控制策略（２）：允许上行，禁止下行。 控制策略（３）：禁止上行，允许下行。 控制策略（４）：禁止上行，禁止下行，转入人工干预控制。 系统具体的控制状态与控制策略的对应关系为： A—>（１）；B—>（２）；Ｃ—>（３）；Ｄ—>（４）；Ｅ—>（４）。 由于矿井运输环境的特殊性以及其现实的情况，运输车辆司机应严格遵守其内部安全行驶规范：红灯停，绿等行。如果违反造成交通堵塞，应采用人工干预的方式，通过广播或者对讲机对车辆进行调度。 4交通信息动态回放的实现 4.1 基本原理 车辆信息的动态回放是通过读取SQL数据库中某一段时间内的信息，然后通过具体的算法对数据库中的信息进行处理，进而达到动态显示的效果。 系统先在SQL中建立了名称为Vehicle_System的数据库，在此数据库中建立一系列的相应的table来存储相应的数据信息。在车辆信息动态回放部分主要用到名称为tbl_TrackData和tbl_LightData两个表。表tbl_TrackData存储与监控车辆的相对应的信息，其中包括：f_vehicle表示车辆号码，f_reader 表示读卡器号码，f_time表示此车辆经过这个读卡器时的时刻。表tbl_LightData中存储的是与交通灯相对应的信息，其中包括：f_light表示交通灯的号码，f_color表示此交通灯的颜色，f_time表示交通灯变为此状态的时刻。 根据WinCC自身的特点，在此监控系统中，车辆信息的回放和交通灯信息的回放是在Vb Script中通过两个周期性的动作实现的。动作每执行一次就根据具体的算法判断是否改变车辆或者交通灯的状态，改变为什么状态。两个动作相对独立，但相互之间又通过变量TimeNow——当前回放时刻，来相互联系。因此，通过周期性的改变车辆的和交通灯的状态，即可以重现当时现场的情况。 4.2车辆信息动态回放的实现 车辆信息的动态回放是通过读表f_ TrackData中的数据来实现的。设定起始时间TimeBegin和终止时间TimeEnd的车辆信息回放就相当于把TimeBegin<=f_time    <=TimeEnd的数据真实动态的在监控界面上反映出来。首先，我们通过查询表tbl_TrackData中TimeBegin<=f_time<=TimeEnd的数据并按照时间先后顺序排列就可以得到一张按时间先后顺序排列的车辆信息总表，如表１所示。然后以变量TimeNow为主线对表tbl_TrackData进行查询，当当前时刻TimeNow>=TimeNextRecord时，就对下一条记录中的信息进行处理。（TimeNextRecord是下一条记录发生的时刻）具体的处理过程如图４所示。 表1  车辆信息总表 图４  车辆信息回放流程图 在车辆回放部分主要包括数据库查询和数据处理两个部分。数据库查询部分要分两种情况来处理，当动作是第一次执行时，除了进行数据查询外，还要做一些初始化工作，以便为后来的数据查询做好相应的准备工作。首先，查表tbl_ TrackData得到f_time>= TimeBegin的第一条记录的时间Time1和读卡器号Reader1，并把Time1作为当前回放时间TimeNow；然后，查出这条记录相对应的车辆下一相临记录所对应的时间Time2和读卡器号Reader2。又因为每个读卡器在巷到道中的实际位置和在监控界面上的位置是固定的而且为一一对应的关系，所以可以得到车辆在监控界面上的位置Position1和Position2。两个部分相互配合，就可以计算出在巷道内的车辆每个周期Period所走的平均路程，我们在监控界面上反映为每个周期Period车辆所走的步长， （0.1） 然后通过公式0.2计算出此车辆每个周期的所处的位置， （0.2） 所以，通过把内部变量PositionVehicle和图形界面上的车辆的位置属性相关联，车子就可以随着变量PositionVehicle的改变而改变。具体的程序实现过程如下： Function action Dim cnn, strcnn, rst, com, Period …… ' 连接数据库 Set cnn  = CreateObject ("ADODB. Connection") strCnn= "Provider=sqloledb;data　source　=　Whut\WinCC;　initial catalog=Vehicle_System;　integrated security=sspi" cnn.open(strCnn)