礦井旋轉編碼器深度指示器研究

高圓

（國網鄭州供電公司，河南　鄭州　450000）

礦井旋轉編碼器深度指示器研究

高圓

（國網鄭州供電公司，河南鄭州450000）

由于傳統深度指示器（圓盤式與牌坊式）存在示值精確度低、功能單一、可靠性差等問題，本文提出對新型深度指示器的探究。通過與光電式深度指示器的類型對比，得出旋轉編碼器在深度指示器中的優勢所在，并將該旋轉編碼器應用于礦井中的深度指示器。通過軟硬件設計及實驗，證明了該方法的可行性。旋轉編碼器深度指示器精確度高，具有測量與監控功能，實時監控礦井提升機的位置。通過對提升機位置的精準測量來實時地監測提升容器在井筒中的位置，實現提升機在上提與下放過程中的限位與過卷保護以及對提升機加減速的控制，防止安全隱患的發生，為提升機的安全運行以及設備利用率和安全可靠性的提高奠定基礎。

深度指示器；旋轉編碼器；PLC

礦井提升機作為礦山企業的重要設備，對礦山的安全、高效生產和經濟運營具有非常重要的作用。深度指示器作為礦井提升機的一個重要組成部分，如何實現精確、實時地監測井筒中提升容器的位置，確保提升機的安全運行，以及實現提升機安全、準確減速停車成為礦山企業安全生產的重大研究課題。

深度指示器主要用于顯示井筒中提升容器的相對位置。當提升容器的當前位置值與井底或井口停車位置值接近時，發出減速信號使提升機構低速運行；當提升容器的當前位置值與設置的過卷位置值一致時，提升機構立即切斷電機電源，啟動電機安全制動裝置，并發出警報，使電機快速停止，避免發生安全事故。旋轉編碼器深度指示器，不僅能夠精確可靠地測量提升容器在井筒中的相對位置，還能夠對礦井提升機進行過卷、提升繩打滑、蠕動及拉伸變形的檢測與顯示以及控制加減速，具有良好的適應性與可靠性。

目前，國內常用的礦井深度指示器有圓盤式與牌坊式兩種。因為它們都是根據直接從主軸上獲取信號來推測提升容器在井筒中的相對位置值，且易受鋼絲繩打滑或蠕動的影響，故此深度指示器的測量精度低、可靠性差，對該提升機的準確加減速、限速、停車及該提升機系統的安全、高效運行帶來較大隱患。國內目前正在研究或使用的深度指示器除了圓盤式與牌坊式深度指示器外，還有光電編碼盤深度指示器、電壓模擬式、鋼絲繩充磁式、光電測距式及激光深度指示器。本文主要對光電式深度指示器進行研究與分析。

1　光電式深度指示器類型對比

按照測距方法的不同，光電深度指示器可分為多種類型，其中包含高速雷達測距、超聲波測距、激光與紅外線等測距方法的深度指示器［1］。高頻雷達測距方法直接測距、準確可靠，但其技術復雜，易受外界環境等因素的影響［2］。超聲波測距方法，超聲波在空氣中傳播速度小；但受溫度和氣候條件的影響，在復雜的礦井工作環境下發射波信號衰減嚴重，使系統靈敏度降低，測距誤差大，測距精確度低。紅外線測距方法技術簡單，應用范圍廣，但其測量精度易受到礦井復雜工作環境影響。激光方向性好、測量量程大，但在礦井復雜的工作環境下，激光可能會被吸收而導致測距存在誤差甚至致使測距失敗［1］。

2　旋轉編碼器深度指示器測距原理

2.1旋轉編碼器測距原理

旋轉編碼器分為增量式、絕對式和混合式3種，由于增量式編碼器存在零點累計誤差，抗干擾能力較差，接收設備的停機需斷電記憶，開機應需找零或參考位等問題，故本文采用絕對式旋轉編碼器進行測距。

絕對式旋轉編碼器是采用自然二進制或循環二進制（格雷碼）方式進行光電轉換。絕對式編碼器，其圓形碼盤上沿徑向有同心碼道，每條碼道上由透光和不透光的扇形區相間組成，相鄰碼道的扇區數目成雙倍關系，碼盤上的碼道數即它的二進制數碼的位數。在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件。當碼盤處于不同位置時，各光敏元件依據是否受光照轉換出相應的電平信號，形成二進制數。絕對式與增量式編碼器差別在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器有若干編碼，根據讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置，在轉軸的任何位置都可讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。編碼可采用二進制碼、循環碼等進行設計。其特點是：①當停電或關機后，再開機重新測量時，由于絕對零位代碼的存在，仍能準確地讀出停電或關機所處位置的代碼，并準確地找到零位代碼；②軸旋轉時，有與位置對應的代碼（二進制、BCD碼等）輸出，無需判向電路，根據代碼大、小的改變，即可判別正反方向和位移所處的位置；③可以直接讀出角度坐標的絕對值；④沒有累積誤差；⑤電源切除后位置信息不會丟失；⑥格雷碼每次只變化一位；⑦旋轉編碼器的格雷碼也是循環碼，其最高位與最低位同樣遵循只變化一位的規律。

這種編碼器不需要計數器，在轉軸的任何位置都能夠讀出一個固定的與位置相對應的數字碼。另外，分辨率的高低與碼道的數目呈正比。

2.2旋轉編碼器深度指示器的控制系統

2.2.1控制系統原理。該深度指示器采用PLC作為主控制器，控制系統的組成部分如圖1所示，分別控制顯示屏、深度指示器失效保護裝置及變頻器。通過變頻器來控制電機以此來控制提升容器上升或下降的速度，通過電機帶動旋轉編碼器的轉動來測得提升容器在礦井中的相對位置，并通過顯示屏將該深度值顯示出來。根據精確的深度數據對礦井提升機進行實時監測、控制，并對礦井提升機在提升過程中進行限位及過卷保護；將旋轉編碼器的當前值和變頻器的狀態信號分別送給PLC，以此分別控制電機轉動的速度及變頻器的狀態。

2.2.2系統硬件設計。對于測距系統，特別要求PLC輸入點快速響應，指令快速運行，這樣才會有高的精度。系統選用了Simens公司的PLC-200系列的CPU224CN，其具有可靠性高、抗干擾能力強、模塊化結構設計等優點。變頻器可以對交流電機進行調速控制，具有調速范圍廣、輸出平滑性好等特點。變頻器采用滿毅電氣公司的FU9000系列FU9000E3015V2T，電機選擇Wenzhou ousit motor公司的三相電機，旋轉編碼器采用光洋TRD-3A1024-2610絕對值編碼器1024線以及若干常開按鈕組成。系統的部分硬件接線原理圖如圖2所示。

2.2.3系統軟件設計。軟件和硬件一樣，都是系統不可或缺的組成部分。在系統開始工作時，首先系統開始初始化，然后檢測深度指示器是否失效。若深度指示器失效則立即切斷電源，啟動制動裝置和聲光報警，否則將編碼器的當前值送給PLC進行數據處理，即與設定的限位值進行比較，判斷當前值是否達到了上、下停止位。若未達到，則根據當前值與設定的限位值的比較結果控制變頻器的頻率，以此來控制電機的轉動速度，達到間接控制罐籠或箕斗上升或下降的速度。然后隨著電機的轉動，旋轉編碼器的輸出值也隨之增大或減小，將旋轉編碼器的當前值送能給PLC，然后與設定的限位值進行比較，判斷是否達到上、下停止位，若達到則結束，否則以此循環直至達到上、下停止位為止。深度指示器的軟件流程圖如圖3所示。

圖1　控制系統組成

圖2　部分硬件接線原理圖

圖3　系統程序流程圖

3　結語

調試是為了檢驗和驗證所設計的深度指示器能否滿足要求。通過設置相關的參數，對該深度指示器進行調試。該系統參數設置包括兩部分，分別是變頻器和限位值的設置。限位值可根據實際情況進行設置調整。

根據調試結果可知，通過旋轉編碼器可以實現深度指示器對提升容器在礦井中相對位置的指示，該實驗提高了礦井提升機的自動化程度。

Research on the Mine Shaft Encoder Depth Indicator

Gao Yuan
（State Grid Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Due to the traditional depth indicator（disc and arch type）in the presence of showing the value of low accuracy，single function，poor reliability problems，a new type depth indicator was studied.By comparing the type photoelectric type depth indicator，this paper drew the superiority of rotary encoder in depth indicator，and the rotary encoder was used to mine the depth indicator.Through the software and hardware design and experiment，the feasibility of the method was proved.The precision of Rotary encoder depth indicator is high，it has the function of measuring and monitoring，real-time monitoring for mine hoist position. Through the accurate measurement of the position of the elevator to monitor the position of the container in the wellbore in real time，the limit and over winding protection and the control of acceleration and deceleration in the process of lifting and lowering was realized，to prevent the occurrence of security risks，to improve the safe operation of the machine and equipment utilization and safety and reliability of the foundation.

depth indicator；rotary encoder；PLC

TD534.6

A

1003-5168（2016）05-0082-03

2016-04-09

高圓（1987-），男，本科，研究方向：電力營銷和電氣工程。

［1］齊秀麗，劉洋，王軍，等.礦井激光深度指示器的分析與探討［J］.煤礦機電，2013（2）：69-70.

［2］王廣先，齊秀麗，張康，等.礦井深度指示器應用及發展現狀［J］.煤礦機械，2011（1）：11-13.