礦用防爆無軌膠輪車安全保護監控系統設計

成中華

關鍵詞：無軌膠輪車;安全保護;監控系統;狀態監測

0引言

礦用運輸裝備是煤礦開采中必不可少的重要機械裝備，在傳統的煤礦開采中使用較多的是有軌運輸。隨著煤礦領域的不斷發展，防爆無軌膠輪車以其顯著的優勢，在很多煤礦中都得到了應用。大量的實踐經驗也表明，無軌膠輪車具有非常好的應用效果。與此同時，由于煤礦井下的工作環境相對比較復雜，所以防爆無軌膠輪車在礦井中使用時存在一定的安全隱患。如何采取措施對其進行監控保護，是進一步推廣其應用范圍的重要措施。我國針對無軌膠輪車安全保護監控系統的研究并不是非常多，尚處在發展階段。因此，本文對相關的安全保護監控系統進行研究，以提升監控系統的可靠性和穩定性，保障無軌膠輪車的使用安全。

1防爆無軌膠輪車危險點分析

對礦用防爆無軌膠輪車運行過程中的危險點進行分析，是設計安全保護監控系統的基礎。結合理論和實踐經驗，對膠輪車的運行危險點分析如下。

（1）瓦斯濃度。煤礦開采中瓦斯濃度是威脅礦井安全的重要因素，同樣會威脅膠輪車安全。需要對礦井內的瓦斯濃度進行實時監測，瓦斯濃度必須控制在1%范圍以內。

（2）溫度過高。煤礦井下環境復雜，空氣中包含有瓦斯和粉塵，遇高溫有發生爆炸的危險。正常情況下車輛尾氣溫度可以超過650℃，對于無軌膠輪車尾氣，需要冷卻后才能排放，以達到降低尾氣溫度的目的。需要將尾氣溫度控制在70℃以內。冷卻水水位會影響尾氣冷卻效果，需要對該部位冷卻水水位進行監控;車輛運行時發動機溫度同樣很高，需要進行冷卻。所以要對發動機表面溫度進行監控，將其控制在150℃以內。發動機冷卻水溫度會影響冷卻效果，同樣需要對水溫進行監控，將其控制在95℃以內。

（3）尾氣有害氣體濃度。防爆無軌膠輪車需要燒柴油提供運行動力，排放的尾氣中包含有一氧化碳和氮氧化合物，這些都是有毒有害氣體，會對井下人員的人身安全構成威脅。因此需要對尾氣中的一氧化碳和氮氧化合物濃度進行實時檢測，避免濃度過高危害井下人員的身體健康。其中，尾氣中的一氧化碳濃度需要控制在0.1%以內，氮氧化合物濃度需要控制在0.08%以內。

（4）機油壓力。機油是保障車輛正常運行的基礎，所以必須確保機油壓力正常。設計的安全保護監控系統需要對機油壓力進行檢測，將其控制在正常范圍以內。

（5）行駛速度。礦井路面復雜，必須對車輛行駛速度進行控制。不同的環境、不同型號的車輛，最高行駛速度存在差異。本系統中最高行駛速度控制在30km/h以內。

2安全保護監控系統總體方案設計

2.1系統總體結構

圖1所示為設計的安全保護監控系統總體示意圖。從圖中可以看出，系統具備3個方面的功能，下文對系統的功能進行介紹。

2.2系統主要功能

（1）狀態數據信息采集。掌握防爆無軌膠輪車運行狀態數據是對其進行保護的基礎，系統中通過設置大量的傳感器，對車輛運行狀態進行監測。基于傳感器得到的數據信號為模擬量信號，需要通過A/D轉換器將其轉換成為數字量信號，然后才能輸入到控制主機中進行處理。

（2）控制主機處理。控制主機接受傳感器采集得到的數據信息，并將這些數據信息與系統中設定的安全范圍進行比較。如果發現某些數據超過了安全范圍，控制主機就會下達控制指令進行處理，以確保防爆無軌膠輪車的運行安全。可以直接利用車載蓄電池對控制主機進行供電。

（3）響應控制處理。響應控制處理模塊由3大部分構成，分別為控制裝置、聲音和燈光報警裝置、顯示器。傳感器采集得到的數據信息經過控制主機處理后可以直接展示在顯示器中，工作人員可以查看顯示器，掌握無軌膠輪車的運行狀態。一旦某些數據超過安全范圍時，通過聲音和燈光報警裝置可以發出警告信號，以提示工作人員。控制裝置的作用是當車輛處于危險狀態時，可以對車輛進行控制，強制停車處理。

3安全保護監控系統硬件選型設計

3.1硬件結構整體框架

圖2所示為安全保護監控系統的硬件整體結構框圖。系統的硬件部分總體可以劃分成為3大部分，分別為傳感器部分、最小系統部分和響應部分。其中最小系統部分主要由核心控制器以及外圍電路構成。由于系統中數據的采集、傳輸與處理都是在防爆無軌膠輪車內部進行，所以信號傳輸的距離較短，數據信號受外界的干擾相對較小。但為了提升數據的可靠性，在系統設計時還是考慮了抗干擾因素。

3.2核心控制器選型

控制器是整個系統的關鍵和核心，其性能的優劣會對安全保護監控系統運行的穩定性產生非常重要的影響。目前市場上的控制器類型有很多種，結合實際情況，本系統中最終選用的是嵌入式微處理器，具體型號為S3C2440A。這種型號的處理器不僅具有非常豐富的資源，且價格低廉，性能也相對較好，能夠快速處理數據。另外還具有攝像頭和網絡接口，可以為安全保護監控系統后續的拓展提供基礎。

核心控制器需要利用5V直流電壓對其進行供電，供電電源直接取自無軌膠輪車的蓄電池。蓄電池的電壓為直流12V，所以需要通過轉換電路，將12V直流電壓轉換成為5V電壓，對核心控制器進行供電，如圖3所示為核心控制器的供電電路。

4安全保護監控系統軟件程序設計

4.1軟件程序整體架構

圖4所示為設計的安全保護監控系統軟件程序整體結構框圖。從圖中可以看出，整個軟件程序主要由3大部分組成，分別為系統啟動程序、數據采集及分析程序、響應控制程序，其中第1個程序為系統準備程序，后2個是系統的關鍵程序。軟件程序編寫時采用模塊化設計思想，對每個構成部分進行單獨編寫，然后進行組裝。

4.2數據采集及分析程序

（1）DS18820程序。作用是對傳感器中的數據進行讀寫。傳感器采集得到的數據信息會存儲在其內存中，利用該程序可以讀取傳感器內存，以獲得車輛狀態數據信息。

（2）ADC模塊程序。控制主機只能對數字量信號進行識別。因此，通過傳感器采集得到的模擬量信號都需要利用該程序進行轉換，使其變成數字量信號，才能夠輸入到控制主機中進行分析和處理。

（3）ADC0809程序。傳感器和控制主機等不同硬件之間進行數據傳輸時需要基于I/O接口進行，ADC0809軟件程序的作用就是驅動數據傳輸。

（4）數據比較程序。所有采集得到的無軌膠輪車狀態數據信息都需要輸入到控制主機，然后利用數據比較程序將其與系統設定的安全范圍進行比較，以判斷無軌膠輪車的實際運行狀態是否在安全范圍內。

4.3響應控制程序

數據信息經過控制主機處理后，如果發現無軌膠輪車運行狀態存在危險，就會啟動響應控制程序，做出相關的處理，以確保無軌膠輪車和礦井的安全。

（1）聲音和燈光警報程序。通過該程序可以發出聲音和燈光報警，聲音通過蜂鳴器發出，燈光通過控制面板中的LED燈發出。

（2）控制程序。該程序主要是對車輛的發動機進行控制，緊急狀態下可以直接控制發動機熄火，避免車輛繼續運行加大危險程度。

（3）顯示程序。在沒有危險情況時，顯示程序的作用是對處理后的數據信息進行展示，使操作人員能夠隨時掌握車輛的運行狀態。在車輛存在危險情況時，顯示程序就會顯示相關的危險信息，以提示操作人員及時進行處理。

5結束語

礦用防爆無軌膠輪車在煤礦中應用時存在一定的危險性。考慮具體情況，本文設計了安全保護監控系統，利用該系統可以對無軌膠輪車的運行狀態參數進行實時監測，如果監測得到的實際參數超過了系統設定的安全范圍，就會發出聲音和燈光警報，以提示工作人員進行處理。同時還會通過響應控制措施對車輛進行停車，避免危險情況進一步惡化。安全保護監控系統的應用能夠顯著提升無軌膠輪車的安全性能，為煤礦安全奠定堅實的基礎。