礦車離位檢測與報警裝置硬件設計

梅 斌,楊杏本,光正國

(1.湖北師范學院 教育信息與技術學院， 湖北 黃石 435002;2.武漢鋼鐵集團 大冶鐵礦,湖北 黃石 435006))

0 引 言

在礦山企業中，隨著生產的發展，礦石產量的提高，對罐籠礦石提升提出了安全和高效的要求。[1]然而罐籠內礦車在提升過程中存在以下重大不安全因素：礦車在由推車器推入罐籠時可能由于未推到位或推力過大而反彈出來離開安全位置，若離開安全位置距離不大，人眼不能察覺，工人發出提升信號后，在提升過程中礦車極有可能脫出罐籠掉入井底，砸壞井筒和設備，不但造成經濟損失還會影響安全生產，此類礦山礦車墜井事故在國內時有發生。在目前的技術條件下，礦車是否離位由人來觀察，不僅效率低，還存在許多不確定因素。為了有效地預防礦車墜井重大安全事故的發生，需要有高效的自動化檢測與報警系統來保障。

礦車離位檢測與報警裝置的研究和設計將有效解決上述安全問題，該裝置的主要功能是在礦車離開安全位置的瞬間發出報警信號、鎖定提升信號，禁止動罐，從而防止礦車墜井事故的發生，既保障了安全又防止了事故帶來巨大經濟損失。

離位報警裝置在銀行、軍隊、家庭等應用場合的安防監控系統中已有研究和應用[2～3]，但在礦山企業生產現場，其應用環境和距離檢測精度對系統要求很高，目前還沒有成熟的產品，本文研究并設計一種基于超聲波測距傳感器和射頻無線數據傳輸模塊的礦車離位檢測報警裝置。

1 系統組成及工作原理

礦車離位檢測與報警裝置，包含中央控制器、罐籠端礦車位置實時采集子系統、離位信息無線傳輸子系統、離位信息顯示與報警子系統以及電源管理子系統。[4]罐籠端礦車位置實時采集子系統與中央控制器連接，包含兩個距離檢測傳感器及信號調理電路，距離檢測傳感器分別設置于罐籠內兩側的礦車安全極限位置處；中央控制器通過無線傳輸子系統與罐籠控制室內的離位信息顯示報警子系統連接；電源管理子系統給罐籠內的礦車位置實時采集子系統、中央控制器及離位信息無線傳輸子系統供電。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

礦車離位檢測與報警裝置通過距離檢測傳感器對罐籠內的礦車位置進行實時檢測，當礦車離位時，通過無線傳輸子系統通知離位信息顯示與報警子系統發出聲光報警，并根據需要鎖定罐籠控制信號；在礦車歸位之后，釋放對罐籠的控制鎖定，保證礦車及操作人員安全、提高礦井運輸生產效率，減少礦車墜井事故發生機率。

2 系統硬件設計

礦車離位檢測與報警裝置由軟硬件協同完成位置信息的采集、處理、判斷和狀態顯示、離位鎖定及報警。系統硬件包括中央控制器、罐籠端礦車位置實時采集子系統、離位信息無線傳輸子系統、電源管理子系統以及離位信息顯示與報警子系統，是整個系統的物理基礎，主要實現礦車位置信息的采集、通信，并為信息的判斷處理和狀態顯示提供硬件電路上的支持。離位信息顯示與報警子系統設計由工業控制計算機來實現，因此硬件設計部分不再詳述。

2.1 中央控制器電路設計

中央控制器電路是整個硬件系統的控制核心，電路包含主控單片機及其外圍電路、接口電路及狀態指示電路。中央控制器電路結構如圖2所示，主控單片機采用ATMEL公司高性能微控制器AT89S52，含8K字節Flash存儲器、看門狗、雙數據指針，具有低功耗、可在線編程等優點[5]，它負責控制距離檢測傳感器和射頻數據傳輸模塊及狀態指示電路。

圖2 中央控制器電路結構圖

2.2 礦車位置實時采集子系統電路設計

圖3 礦車位置實時采集子系統電路結構圖

礦車位置實時采集子系統電路是檢測礦車是否離位的關鍵電路，由距離檢測傳感器和信號調理電路組成，信號調理電路輸出的數字信號直接送至中央控制器的主控單片機，電路結構圖如圖3所示。距離檢測傳感器采用加拿大ABM公司的ABM-300型超聲波距離檢測傳感器。由于本應用只需檢測礦車是否離位，信號調理電路不需要將模擬信號進行DA轉換，而只需要將距離檢測傳感器反饋回的4～20mA模擬電流信號轉換為電壓信號并與一個基準電壓比較，比較結果傳送給主控單片機。比較結果為數字信號0或1，代表礦車離位與否，而基準電壓要根據不同的現場具體情況進行安裝前的調節。

2.3 離位信息無線傳輸子系統電路設計

由于生產現場的礦車載體罐籠是運動物體，為了將礦車離位信息傳遞給罐籠控制室，需要設計離位信息無線傳輸子系統電路。為簡化設計、降低成本和提高系統可靠性，本系統直接采用法國科尼斯公司的WAVECARD型射頻無線傳輸模塊。射頻無線傳輸模塊與主控單片機間的數據交換由中央控制器電路上的射頻數據傳輸模塊接口進行管理。

2.4 電源管理子系統電路設計

電源管理電路管理整個中央控制單元電路板上所有模塊的電源供應，將12V直流供電進行降壓產生3V、5V直流電分別供給射頻數據傳輸模塊和單片機使用，升壓產生24V直流電供給距離檢測傳感器使用，需要注意的是升壓電路不能產生超聲波頻段的干擾，否則會影響超聲波距離檢測傳感器的正常工作。

2.5 離位信息顯示與報警子系統輔助控制電路設計

輔助控制電路實際上是由單片機控制的無線數據接收、轉發與控制電路，它接收罐籠內中央控制單元發來的離位信息數據，轉發給工業控制計算機，并控制罐籠升降信號的鎖定與否，電源由工業控制計算機的USB接口提供。輔助控制電路上的單片機由于沒有計算和復雜的控制任務，選擇AT89C2051足以實現規定的功能，單片機從串行數據接口接收罐籠升降信號鎖定信息并通過罐籠升降信號鎖定電路中的繼電器控制罐籠升降信號是否被鎖定。運行于工業控制計算機上的程序根據接收到的信息數據實時顯示礦車狀態，如果礦車離位，還要發出聲光報警。根據工業控制計算機上程序的工作模式設置，用戶可以選擇在礦車離位的情況下是否鎖定罐籠升降信號。輔助控制電路模塊結構圖如圖4所示。

圖4 輔助控制電路模塊結構圖

3 結束語

礦車離位檢測系統對采用豎井提升礦山的安全生產可以起到重要的技術性輔助作用。經過兩年的研究開發，我們研制出了試用產品，目前已經在武漢鋼鐵集團礦業公司大冶鐵礦生產現場進行了一年的試驗性應用。從用戶反饋的信息來看，該系統對礦車墜井事故能起到有效的預防作用。但在試用的過程中，也暴露出系統存在的不足，系統安裝在移動的罐籠中，只能采用電池供電，電池充電后連續工作時間與成本和占用罐籠空間是一對矛盾，目前系統每三天需要充一次電，這對使用者來說不太方便，今后在供電和節能方面將作一些改進。總的來說，這是一個成功的設計。

參考文獻：

[1]章啟忠, 光正國, 毛孝林，等. 礦山井筒安全隱患監測系統設計與實現[J] . 金屬礦山, 2009, 396(6):130～135.

[2]巫駟龍, 程 恩, 袁 飛. 基于CC2430的離位報警系統的設計與實現[J] . 四川兵工學報, 2010, 31(12):59～62.

[3]黃志瑛, 馮根生. 執勤槍支離位報警系統[J]. 電子測量技術, 2008,31(2):130～132.

[4]梅 斌,光正國,江 兵，等. 一種礦車離位檢測裝置:中國, ZL 2011 2 0279616.9[P].2011-08-03.

[5]Atmel 公司.AT89S52用戶手冊[K]. 美國加利福尼亞, Rev 1919A-07/01, 2001.