曹 勇

（霍州煤電集團(tuán)， 山西 霍州 031400）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，能源需求總量逐年提升，煤炭作為人們生產(chǎn)生活必不可少的能源之一，其生產(chǎn)量和生產(chǎn)效率備受煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[1]。礦井提升機(jī)作為連接煤礦地面和井下綜采工作面之間的重要紐帶，其工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著煤炭掘進(jìn)能否正常開(kāi)展，必須引起高度重視[2-3]。礦井提升機(jī)使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)卷、卡罐、斷繩等故障，研究表明，出現(xiàn)故障的原因之一是超載，有必要對(duì)提升機(jī)載荷進(jìn)行限制，同時(shí)，《煤炭安全規(guī)程》對(duì)提升超載提出了相關(guān)要求，嚴(yán)禁礦用提升機(jī)超載運(yùn)行[4-5]。因此，基于某煤礦礦用提升機(jī)現(xiàn)有控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，開(kāi)展礦井提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作，對(duì)于提高提升機(jī)工作的可靠性和煤炭的產(chǎn)量具有重要意義。

1 現(xiàn)有載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有相關(guān)研究和應(yīng)用[6]，取得了一定的應(yīng)用效果，但也存在不足之處。載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)工作性能較差，使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)載荷監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)的情況，存在安全隱患。同時(shí)，供電系統(tǒng)存在發(fā)熱、功耗較大，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力受限，不適應(yīng)煤礦深井通訊。軟件系統(tǒng)進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)過(guò)程中多采用8 位單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理能力較小，不能滿足載荷數(shù)據(jù)處理分析的要求，無(wú)線數(shù)據(jù)處理速率較低，不能達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的目的，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定較差。因此，針對(duì)以上載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，需要從硬件和軟件兩部分入手，開(kāi)展穩(wěn)定的提升機(jī)載荷監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)提升機(jī)原有控制系統(tǒng)和當(dāng)前載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，完成了載荷監(jiān)控系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于液壓缸的油壓變送法，具有很好的數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。為了便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員安全作業(yè)，系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行操作室設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警提示裝置，為了實(shí)現(xiàn)井下提升機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，在井筒與運(yùn)行操作室之間設(shè)計(jì)了無(wú)線通信系統(tǒng)。由圖1 可以看出，系統(tǒng)的主要組成部分包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信和上位機(jī)等。

圖1 載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選型

載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的主要外設(shè)是傳感器，對(duì)壓力變送器的選型主要根據(jù)其輸出信號(hào)類型、輸出電壓等參數(shù)，結(jié)合提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際需求，以及液壓缸所處的工作情況，選擇了型號(hào)為NS-P-I7 的壓力變送器。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，該壓力變送器具有EMC 檢測(cè)報(bào)告，經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的溫濕度檢測(cè)，安全防護(hù)等級(jí)為IP65/IP67，可輸出直流24 V 的數(shù)字量信號(hào)，具有很好的可操作性和精度，滿足礦井提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。實(shí)物如圖2 所示。

圖2 壓力變送器

3.2 數(shù)字量隔離

工業(yè)中使用較為廣泛的是數(shù)字量信號(hào)，主要由傳感器實(shí)時(shí)采集得到，包括提升機(jī)液壓缸的上下限位、罐籠閘門開(kāi)閉、轎廂到位信息等，系統(tǒng)配置了十六路數(shù)字信號(hào)采集接口，信號(hào)為DC24 V 的開(kāi)關(guān)量。數(shù)字量隔離采用光耦隔離，主要由于數(shù)字量電路極易出現(xiàn)超出單片機(jī)的最大灌入電流，采用光耦隔離方法，就能確保單片機(jī)處理數(shù)字量信號(hào)時(shí)的電壓匹配。

3.3 模擬量隔離

傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于線性度，是提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對(duì)象。載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠識(shí)別的是4～20 mA 電流信號(hào)，包括壓力變送器采集得到的信號(hào)。系統(tǒng)選擇的STM32F103VET6 單片機(jī)配置了12 路模擬量信號(hào)接口，其數(shù)據(jù)采集精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的ADC 芯片，采用電壓僅為0～3.3 V，因此需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離變送，如圖3 所示。

圖3 模擬量信號(hào)隔離

3.4 通信系統(tǒng)

載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信包括無(wú)線通信和有線通信兩部分，無(wú)線通信模塊選擇AS62-T30，具有很好的擴(kuò)頻性能和較遠(yuǎn)的通訊距離，與此同時(shí)，具有功耗低、發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)。有線通信的選型要滿足遠(yuǎn)距離傳輸要求，同時(shí)還要組網(wǎng)便捷，硬件結(jié)構(gòu)組成涉及將TTL 轉(zhuǎn)化為RS485 的無(wú)線接收轉(zhuǎn)換裝置、將RS485 轉(zhuǎn)換為RS232 的模塊。前者主要是將TTL 信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS485信號(hào)，實(shí)現(xiàn)井口至操作機(jī)房長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸。后者主要是將RS485 信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS232 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的信息傳輸。載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊選擇UT-217E，具有較強(qiáng)的光電隔離性能，兼容多種通訊協(xié)議，不需要單獨(dú)供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)

根據(jù)礦井提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及硬件結(jié)構(gòu)，完成了系統(tǒng)下位機(jī)配置軟件界面，如圖4 所示。由圖4 可以看出，軟件具有計(jì)算機(jī)串口配置參數(shù)設(shè)置功能，包括端口編號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)方式和停止位等，使其能夠匹配載荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集接收板。復(fù)選框的存在，可以根據(jù)需要選擇合適的通道和外設(shè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能夠選擇特定的無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊寫入按鍵，就能將編制好的界面配置參數(shù)傳輸至單片機(jī)內(nèi)部。點(diǎn)擊讀出按鍵，可以將系統(tǒng)外設(shè)運(yùn)行的狀態(tài)讀入下位機(jī)配置界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向讀寫。系統(tǒng)配置準(zhǔn)確與否主要取決于下位機(jī)配置軟件與單片機(jī)通信的可靠性，必須采用合適的通信協(xié)議，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)顯示的目的。

圖4 下位機(jī)配置軟件界面

4.2 上位機(jī)

人機(jī)交互界面作為提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示提升機(jī)載荷數(shù)據(jù)，同時(shí)，監(jiān)控人員也能夠根據(jù)載荷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的警告或者控制。基于上述作用和系統(tǒng)要求，完成了載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)主界面的設(shè)計(jì)，如圖5 所示。主界面內(nèi)涉及兩側(cè)提升容器的監(jiān)測(cè)信息，如系統(tǒng)參數(shù)、監(jiān)控界面、歷史查詢與幫助使用等。其中系統(tǒng)參數(shù)包含串口參數(shù)設(shè)置、液壓缸直徑參數(shù)設(shè)置和串口通訊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置等。與此同時(shí)，載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)主界面中還具有實(shí)時(shí)顯示鋼絲繩張力數(shù)據(jù)的波形圖、載重量顯示、運(yùn)行深度顯示、卡罐提示、通訊故障提示、未卸凈提示、過(guò)載提示、停車提示、220 V 電源提示以及聲光報(bào)警啟停等功能。

圖5 提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證礦井提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)的提升機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行為期3 個(gè)月的跟蹤記錄。結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，提升了提升機(jī)近8%的有效工作時(shí)間，減少了近5%的故障排查時(shí)間，節(jié)約了提升機(jī)運(yùn)行維護(hù)成本，提高了煤炭企業(yè)的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，預(yù)計(jì)每年可為煤炭企業(yè)新增近30 萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益，取得了良好的應(yīng)用效果。