卜沁文，曲翰林，楊磊，張子涵

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

煤炭是人們?nèi)粘Ｉ钪兴枘茉吹闹匾M成部分和工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料，作為重要的一次能源之一，其開采消費需求量巨大。2020年全國煤炭消費量40.4 億噸，占一次能源消費的57%左右，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。同時作為礦山的重要設(shè)備，礦井提升機是地下礦井與外界的唯一通道，一旦發(fā)生故障，對人員和經(jīng)濟的傷害是不可估量的。

其中，閘瓦間隙是該裝置制動系統(tǒng)中尤其關(guān)鍵的一個技術(shù)參數(shù)，對確保其制動安全起重要影響。閘瓦間隙超出一定范圍，會導(dǎo)致整個提升機的剎車能力大幅下降，以至于停車不及時或者不可靠，導(dǎo)致過卷。同時，如果閘瓦間隙低于一定數(shù)值，又會產(chǎn)生過大的制動力，以至于緊急制動減速度超出正常范圍，一方面加大了設(shè)備的制動載荷，一方面也容易影響乘坐人員。

考慮到提升機常常用于運輸人員物資，狀態(tài)不斷地發(fā)生變化，影響制動的相關(guān)參數(shù)一直處于動態(tài)變化中。因而當制動參數(shù)的變化范圍大于安全范圍時，極易發(fā)生危險事故，導(dǎo)致難以承受的后果。所以，設(shè)計能夠?qū)崟r監(jiān)測制動系統(tǒng)的設(shè)備，盡力降低事故的發(fā)生可能性非常重要。

所以，在《煤礦安全規(guī)程》中要求盤形閘的閘瓦與閘盤之間的間隙不得超過2 mm，同時一旦超出規(guī)定數(shù)值（2 mm）時，提升機必備的閘瓦間隙保護裝置會發(fā)生自動報警或者自動斷電。

因此，為保障提升機安全運行，設(shè)計可以實時監(jiān)測該設(shè)備閘瓦間隙數(shù)值的裝置尤為關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 盤式制動器閘瓦

如圖1所示，盤式制動器是通過液壓來松閘，利用碟形彈簧的彈簧力來制動。當油壓升高時，彈簧受到擠壓產(chǎn)生形變，以達到松閘的效果。相反，當油壓值逐漸減小時，彈簧逐漸恢復(fù)原本的形變，推動活塞，以產(chǎn)生制動力，達到礦井提升機的制動效果。要讓制動盤不會因為壓力過大發(fā)生形變或損壞，本系統(tǒng)選擇帶有兩個制動盤的制動器，能夠有效地減少此種情況發(fā)生的概率。

圖1 盤式制動器閘瓦

該原理的優(yōu)勢主要是，碟形彈簧具有低行程、高補償力的特性，即使經(jīng)過多次形變后仍能基本保持原形狀，能夠很好地保證檢測結(jié)果的準確性。同時，相對于彈簧的拉伸形變，受壓形變更不容易影響彈簧的效果，這樣能夠很好地延長碟形彈簧的使用時間并且使提升機更為安全和可靠，減少事故的發(fā)生概率。

1.2 閘瓦間隙測量方法

本文設(shè)計的裝置是使用電渦流位移傳感器測量閘瓦間隙，電渦流傳感器能夠較為精確地測量出所需要監(jiān)測的距離?？紤]到油缸不隨閘盤運動，電渦流傳感器被固定于此外側(cè)，用于檢測電渦流傳感器與閘瓦間距離。如圖2所示，1 為閘盤，2 為電渦流傳感器，3 為制動器油缸，4 為閘瓦摩擦片。

圖2 位移傳感器測量閘瓦

一方面，在提升機抱閘的時候，該裝置會記錄每個傳感器與閘瓦摩擦片的初始距離存于EEPROM。電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM 具有掉電不丟失的特性，在不通電或斷電的情況下仍能夠記錄的距離，這樣有利于數(shù)據(jù)的保存。另一方面，當油壓升高時，油壓力推動活塞壓縮碟形彈簧，提升機松閘，閘瓦向原理閘盤方向移動，記錄此時傳感器與摩擦片的距離，記錄數(shù)據(jù)為，通過計算差值即可獲得閘瓦間隙：=-。由于《煤礦安全規(guī)程》中對閘瓦間隙的精度要求很高，而該裝置則能夠精確地監(jiān)測閘瓦間隙且具有較好的實時性，能夠有效地防止由于閘瓦間隙過大造成的礦井安全事故。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能需求

監(jiān)測功能：系統(tǒng)須具備各種傳感器以實現(xiàn)實時監(jiān)測的功能，共需監(jiān)測16 路的提升機盤型閘瓦間隙、2 路的閘盤偏擺和1 路的制動系統(tǒng)油壓。

顯示功能：系統(tǒng)選用低功耗液晶屏顯示參數(shù)，將傳感器測得的閘間隙值、偏擺值、液壓值實時傳輸至顯示屏。

參數(shù)設(shè)置：報警閘瓦間隙默認設(shè)置為2 mm，同時考慮到實際使用要求，用戶可自行設(shè)置油壓值，報警臨界間隙值等參數(shù)，使系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境進行調(diào)整。

報警功能：系統(tǒng)設(shè)置了聲光報警功能，傳感器測得的數(shù)據(jù)超過限度或發(fā)生其他異常時，系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)異常，并發(fā)出報警信號。

通信功能：系統(tǒng)須具備穩(wěn)定可靠的通信功能，以保證隨時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至上位機，讓系統(tǒng)用戶實時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲：為方便系統(tǒng)報警提升機停運后，用戶能對事故原因分析有可靠的數(shù)據(jù)支持，須能存儲故障信息。

其他功能：遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢等。

2.2 總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3所示。該設(shè)計采用位移傳感器和壓力變送器分別測量提升機閘瓦間隙、閘盤偏擺和制動油壓。然后，測量所得位移信號和壓力信號經(jīng)由電壓跟隨器送入32 選1 開關(guān)，該開關(guān)的輸出端再與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，以將模擬量轉(zhuǎn)換為微控制器可處理的數(shù)字量。同時，微控制器將通過32 選1 開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到精確度較高的位移和壓力數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)，計算得出間隙、偏擺和油壓具體數(shù)據(jù)。為了可以達到實時監(jiān)測報警的作用，該設(shè)計將所得監(jiān)測數(shù)據(jù)用液晶屏實時顯示并通過CAN總線接上傳給上位機，然后將這些數(shù)據(jù)實時與設(shè)定報警值做比較。一旦滿足報警條件時，就啟用聲光報警系統(tǒng)以達到報警和停止提升機運行的作用，同時將故障相關(guān)情況存儲到EEPROM。

圖3 總體設(shè)計圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 微控制器

本系統(tǒng)設(shè)計的提升機閘瓦間隙防護裝置使用的微控制器是基于ARM Cortex-M3 的微控制器LPC1752。該微控制器的外設(shè)組件有64 KB 的flash 存儲器、16 KB 的數(shù)據(jù)存儲器、USB 主機端口、四個UART、一個CAN 控制器、二個SSP控制器、SPI 端口、二個I2C 端口、六信道的十二位ADC、十位DAC、電源控制PWM、四個通用定時器，帶獨立電池供電的超低功耗RTC 和超五十個的通用I/O 管腳等，使得LPC1752 芯片在使用中更為穩(wěn)定可靠，因而多使用于工業(yè)控制領(lǐng)域。同時，該芯片采用單個3.3 V 電源，溫度范圍為-40到85 攝氏度，可在高達100 MHz 的頻率下運行，并包含一個支持八個區(qū)的存儲器保護單元，內(nèi)置了嵌套的向量中斷控制器（NVIC）。系統(tǒng)特性如表1所示。

表1 微控制器系統(tǒng)特性

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 電渦流位移傳感器

本系統(tǒng)選用渦流位移傳感器實時采集閘瓦間隙、閘瓦偏擺的數(shù)值，電渦流位移傳感器是0～20 mA 模擬量輸出，該特性便于遠距離傳輸。位移傳感器基本特性如表2所示。

表2 位移傳感器基本特性

3.2.2 陶瓷壓力變送器

本系統(tǒng)選用陶瓷壓力變送器采集制動油壓的數(shù)值。該傳感器精度高達±1%，保證了監(jiān)測效果。壓力傳感器的基本特性如表3所示。

表3 壓力傳感器基本特性

3.2.3 電壓跟隨器

本系統(tǒng)在傳感器的輸出端加設(shè)了運算放大器AD8605 作為電壓跟隨器。電壓跟隨器具有輸入阻抗無限大，輸出阻抗接近于零的特性，以達到緩沖、隔離的效果，從而提高識別精度、穩(wěn)定輸入信號。同時，AD8605 還具有開環(huán)增益高、補償電壓低等特性。

3.2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器采用單供電電源，具有電荷再分配、16 bits 的分辨率、250 ksps 的轉(zhuǎn)換速率以及0.7～3.2 us 轉(zhuǎn)換時間等特性，接線采用三線串行的方式，其電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊和人機交流模塊

3.3.1 CAN 總線接口電路設(shè)計

本系統(tǒng)選擇MCU 自帶一路支持CAN2.0B 的CAN 控制器，這樣，要實現(xiàn)CAN 總線通信只需配置一個CAN收發(fā)器。CAN 報文經(jīng)過MCU 的CAN 控制器送入CTM-8251AT，傳輸線上設(shè)計TVS 管實現(xiàn)過壓和脈沖干擾，共模扼流圈B82793 濾除電磁干擾，用不同匹配電阻實現(xiàn)不同傳輸距離。

3.3.2 液晶屏電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用RS-232 接口連接DGUS 屏MT80600T080_07WT，由于RS-232 具有負邏輯的邏輯電壓，要通過微控制器實現(xiàn)RS-232 協(xié)議通信，則需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，其中轉(zhuǎn)換芯片選用MAX3232 芯片，用以實現(xiàn)LPC1752 控制液晶屏和ISP 的功能，其電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 液晶屏電路設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 設(shè)計思路

本系統(tǒng)運用keil uVision5 平臺以c 語言來開發(fā)程序。

在軟件設(shè)計時，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，先設(shè)計出主函數(shù)，然后再根據(jù)所分成的四項重要功能模組——數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機交互模塊來設(shè)計相應(yīng)函數(shù)。同時對四個模塊分別地進行研究，匹配對應(yīng)的硬件資源，然后再依據(jù)不同功能相應(yīng)的驅(qū)動程序，定義了各模塊的MCU 的外圍部分，其中數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)對16 路提升機閘瓦間隙，2 路閘盤偏擺和1 路制動油壓數(shù)據(jù)的采集，主要涉及三個硬件模塊：定時器模塊、ADC7685 模塊和32 選1 開關(guān)ADG732 模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊則依靠EEPROM，以及CAT1023 和CAT24C256 來存儲相關(guān)數(shù)值（CAT1023 用來保存用戶輸入的參數(shù)值，CAT24C256 用來保存錯誤文件）數(shù)據(jù)存儲模塊涉及I2C 驅(qū)動，數(shù)據(jù)通信模塊負責(zé)向上位機發(fā)送提升機閘瓦間隙、閘瓦磨損、閘盤偏擺和制動油壓值。則主要涉及CAN 總線驅(qū)動，UART 以及Iport-1 的配置。人機交互模塊來實現(xiàn)計算機與用戶之間方便通信，例如提供監(jiān)測信息、頁面切換、報警等，主要涉及相關(guān)警報、鍵盤、液晶屏的相關(guān)驅(qū)動。

4.2 軟件主流程設(shè)計

本裝置的軟件設(shè)計主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

主程序開始后，對系統(tǒng)進行初始化，包括IO 口初始化、定時器初始化、串口初始化、A/D 轉(zhuǎn)換器初始化、CAN 初始化等，通過32 選1 開關(guān)分時實時采集16 路間隙傳感器、2 路偏擺傳感器和1 路油壓傳感器，經(jīng)AD7685 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進行數(shù)據(jù)處理，處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)送液晶屏實時顯示，通過CAN 總線上報給上位機。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行超限判斷，如超限發(fā)出聲光報警，并將故障數(shù)據(jù)存儲到EEPROM，供查詢。

5 結(jié) 論

論文主要研究礦井提升機的盤式制動器，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，以控制系統(tǒng)所需功能為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，研發(fā)了一款針對盤式制動器間隙的提升機監(jiān)測裝置。該裝置可達到對提升機閘瓦間隙、閘盤偏擺和制動油壓的實時監(jiān)測功能、監(jiān)測數(shù)值顯示功能、聲光報警功能和故障記錄的存儲和查詢功能，從而減少了提升機故障所引起危害和煤礦對提升機維修的不必要的開支。最后，應(yīng)用CAN 總線實現(xiàn)上位機對監(jiān)控系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控。

提升機閘間隙監(jiān)測是一項極為復(fù)雜且急需創(chuàng)新的工程，本文設(shè)計的監(jiān)測裝置仍然存在很多亟待研究的部分。一方面，難以無法用實驗結(jié)果衡量真實環(huán)境下系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)采集準確性；另一方面，本裝置中配置了CAN 總線接口，但是具體通信格式仍然需要實地數(shù)據(jù)的參考。