基于單片機(jī)的礦井松繩監(jiān)測(cè)裝置

吳治榮，董登文

（隴東學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)中的主要設(shè)備之一，是井下與地面之間運(yùn)送物料及人員的紐帶。《煤礦安全規(guī)程》對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)有著嚴(yán)格的要求，規(guī)程明確規(guī)定，提升機(jī)必須設(shè)置松繩保護(hù)，并將其接入安全報(bào)警回路，當(dāng)出現(xiàn)鋼絲繩松弛時(shí)能自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警并能夠停止提升機(jī)運(yùn)行[1]。纏繞式提升機(jī)的提升容器和提升機(jī)運(yùn)行速度不一致時(shí)，鋼絲繩由于自重下垂，可能會(huì)伴有鋼絲繩扭結(jié)現(xiàn)象。鋼絲繩松弛到一定程度時(shí)，若提升容器突然下落，則鋼絲繩在巨大的沖擊作用下可能斷裂造成墜箕斗事故。因此，對(duì)于松繩現(xiàn)象的檢測(cè)尤為重要。現(xiàn)有的檢測(cè)方式也較多，其中機(jī)械開關(guān)式松繩保護(hù)裝置是在纏繞機(jī)下方設(shè)置行程開關(guān)，鋼絲繩松弛下垂后會(huì)觸碰該開關(guān)，接通保護(hù)控制回路，該保護(hù)檢測(cè)的特點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單、方便，但是纏繞式提升機(jī)在運(yùn)行中鋼絲繩會(huì)發(fā)生左右及上下抖動(dòng)容易造成開關(guān)誤動(dòng)[2]；光電式松繩保護(hù)采用光電開關(guān)檢測(cè)松繩狀態(tài)，當(dāng)松繩下垂時(shí)，鋼絲繩會(huì)遮擋光路，光電開關(guān)輸出狀態(tài)改變啟動(dòng)松繩保護(hù)回路，但是這種開關(guān)易受粉塵、油污、光強(qiáng)等環(huán)境影響引起誤動(dòng)作[3]。因此，針對(duì)環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)開關(guān)造成的誤動(dòng)作及工作可靠性，提出應(yīng)用接近開關(guān)來檢測(cè)鋼絲繩的松弛下垂?fàn)顟B(tài)，通過單片機(jī)實(shí)施監(jiān)控采集數(shù)據(jù)判斷松繩狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)松繩保護(hù)。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該檢測(cè)裝置主要由兩個(gè)接近開關(guān)，光耦、獨(dú)立鍵盤、單片機(jī)控制器、輸出的聲光報(bào)警器等部件組成。通過在出繩口安裝兩個(gè)接近開關(guān)，這兩個(gè)接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼絲繩的松弛下垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)鋼絲繩松弛有下垂時(shí)，通過安裝在鋼絲繩下面的接近開關(guān)輸出信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的延時(shí)及通過兩個(gè)接近開關(guān)讀入的檢測(cè)狀態(tài)來判斷是否發(fā)生松繩現(xiàn)象，如果經(jīng)過比較運(yùn)算確定發(fā)生的是松繩而非干擾抖動(dòng)，則輸出信號(hào)給上位機(jī)，同時(shí)接通提升絞車安全回路和聲光報(bào)警回路。

圖1 總體檢測(cè)方案

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 主控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制檢測(cè)要求，要實(shí)現(xiàn)鋼絲繩松弛檢測(cè)，并判斷是發(fā)生松繩還是抖動(dòng)干擾信號(hào)，需要控制器來讀入接近開關(guān)輸出信號(hào)，并要通過適當(dāng)小延時(shí)來判松繩狀態(tài)，由此來接通保護(hù)及報(bào)警回路，所以運(yùn)算量小，輸入輸出回路少，采用小型單片機(jī)可以滿足控制系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)選用STC89C52RC單片機(jī)作為控制器的核心。芯片引腳如圖2所示，STC89C52RC是宏晶公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在線系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，性價(jià)比高[4]。可實(shí)現(xiàn)對(duì)接近開關(guān)輸出信號(hào)以及鍵盤輸入的按鍵信息有效處理。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路主要應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行及調(diào)試時(shí)參數(shù)的設(shè)定[5]。系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)接近開關(guān)，這兩個(gè)接近開關(guān)檢測(cè)范圍不一致，并有小延時(shí)，延時(shí)參數(shù)的設(shè)置需要鍵盤輸入并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。鍵盤與單片機(jī)接口如圖3所示，采用簡(jiǎn)單的獨(dú)立鍵盤即能滿足使用要求。

圖2 STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 鍵盤輸入電路

2.3 接近開關(guān)

圖4 接近開關(guān)安裝示意圖

本系統(tǒng)傳感器主要作用是檢測(cè)鋼絲繩是否發(fā)生松弛及絞繩等意外情況。根據(jù)檢測(cè)環(huán)境及鋼絲繩在礦井出繩口移動(dòng)特點(diǎn)，選用接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)鋼絲繩松弛檢測(cè)，接近開關(guān)安裝在出繩口鋼絲繩下方一固定位置。工作時(shí)無需與運(yùn)動(dòng)的鋼絲繩直接接觸，當(dāng)鋼絲繩松弛下垂靠近檢測(cè)開關(guān)感應(yīng)范圍，接近開關(guān)即有開關(guān)量的輸出，本系統(tǒng)選用電容式接近開關(guān)，該開關(guān)把被測(cè)量通常構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開關(guān)的外殼。這個(gè)外殼在測(cè)量過程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體移向接近開關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，當(dāng)它接近時(shí)，使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得輸出狀態(tài)也隨之改變，這種接近開關(guān)檢測(cè)的對(duì)象，不限于導(dǎo)體，可以絕緣的液體或粉狀物等。且動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)[6]，適用于礦井工作環(huán)境。安裝位置示意圖如圖4所示，在出繩口安裝兩個(gè)接近開關(guān)，兩個(gè)接近開關(guān)位置不同，量程不一致，松繩位置如圖所示，可以通過兩個(gè)接近開關(guān)分別判斷是屬于運(yùn)行的干擾抖動(dòng)現(xiàn)象還是松繩造成的下垂?fàn)顟B(tài)。本系統(tǒng)選用OMRON電容式接近開關(guān)E2K-C25ME1，檢測(cè)范圍25mm，供電電壓12V～24V，輸出直流三線式，通過光耦直接和單片機(jī)IO口連接。能滿足使用要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。根據(jù)實(shí)際松繩狀態(tài)的檢測(cè)過程，首先要對(duì)檢測(cè)距離等參數(shù)進(jìn)行初始化，隨后單片機(jī)要掃描獨(dú)立鍵盤輸入狀態(tài)是否有參數(shù)設(shè)置及啟動(dòng)操作，一旦啟動(dòng)，兩個(gè)接近開關(guān)開始檢測(cè)鋼絲繩松弛下垂是否進(jìn)入檢測(cè)范圍，實(shí)際運(yùn)行中由于鋼絲繩會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，接近開關(guān)1安裝位置距離鋼絲繩位置較近，首先檢測(cè)到松繩信號(hào)時(shí)，可認(rèn)為是抖動(dòng)造成的，如果經(jīng)過小延時(shí)后鋼絲繩落入安裝較遠(yuǎn)的接近開關(guān)2的檢測(cè)范圍，則可以判定發(fā)生了松繩，發(fā)出故障信號(hào)并停機(jī)。如果接近開關(guān)1首先檢測(cè)到信號(hào)而經(jīng)過小延時(shí)后接近開關(guān)2沒有檢測(cè)到信號(hào)，則認(rèn)為是干擾，沒有發(fā)生松繩。延時(shí)大小可以經(jīng)過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定。

圖5 程序流程圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的礦井松繩檢測(cè)裝置，該裝置通過接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)松繩監(jiān)測(cè)，由單片機(jī)比較判定松繩故障，將信號(hào)提供給上位機(jī)的松繩保護(hù)裝置。測(cè)試結(jié)果表明該該裝置能夠達(dá)到松繩保護(hù)的要求，運(yùn)行可靠，靈敏度高，體積較小，安裝調(diào)試維護(hù)方便，成本相對(duì)較低，可以推廣使用。