礦用柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)開發(fā)

王景輝

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 044000）

近年來，隨著煤礦科技水平不斷提高，國內(nèi)煤礦在開采技術(shù)方面得到了很大的提升，也給煤礦井下輔助運輸環(huán)節(jié)提出了更高的的要求[1-2]。以經(jīng)紡煤業(yè)所使用的柴油膠輪車的輔助運輸設(shè)備來說，由于柴油膠輪車所處的工作環(huán)境比較惡劣，伴隨著諸多不安全的因素，比如常見的瓦斯氣體、一氧化碳、排氣管溫度超標(biāo)、尾氣溫度超標(biāo)以及膠輪車發(fā)動機高溫等問題，這些都會影響膠輪車的穩(wěn)定安全運行，甚至有可能引起煤礦井下安全事故造成人員傷亡[3]。為此，按照煤礦井下安全管理要求需要對煤礦膠輪車進(jìn)行智能監(jiān)控。通常煤礦井下柴油膠輪車運行監(jiān)控主要是由工人對膠輪車進(jìn)行檢測，但是在實際運行過程中對發(fā)動機以及尾氣的檢測存在盲區(qū)，無法實現(xiàn)實時在線檢測并及時掌握尾氣溫度等關(guān)鍵部件的溫升情況，容易引起柴油膠輪車運行事故[4-5]。目前，國內(nèi)外對柴油膠輪車安全運行檢測領(lǐng)域的研究內(nèi)容較少，更多的是集中在對膠輪車排放物和對膠輪車排放口溫度的檢測，但未提出膠輪車運行檢測的監(jiān)控方案。本文通過對膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)要求進(jìn)行分析，提出了一套柴油膠輪車安全運行檢測的控制方案，完成了硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)編程，實現(xiàn)了對柴油膠輪車多參數(shù)動態(tài)采集與實時顯示，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試和檢測試驗從而驗證了方案設(shè)計的合理性。

1 礦用柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 柴油膠輪車安全檢測系統(tǒng)技術(shù)要求

由于柴油膠輪車所處的井下工作環(huán)境比較惡劣，伴隨著瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體危害，且柴油不充分燃燒最終的尾氣中會含有CH4，CO，SO2等有毒有害氣體，導(dǎo)致煤礦井下空氣中CH4，CO 等含量增加，所以在柴油膠輪車運行過程中需要對環(huán)境中有毒有害氣體進(jìn)行防治。柴油膠輪車在實際使用過程中排氣筒以及尾氣的溫升有可能會引起爆炸，所以需要對尾氣以及排氣筒、機體的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測并及時上傳到上位機監(jiān)控系統(tǒng)，以有效避免事故的發(fā)生。綜上所述，對柴油膠輪車安全檢測系統(tǒng)及其監(jiān)測指標(biāo)提出如下控制要求：

（1）膠輪車發(fā)動機溫度≤150℃。

（2）排氣筒的表面溫度≤150℃。

（3）巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛缺仨毿∮?%。

（4）廢氣排氣口的最大溫度不得大于77℃。

（5）發(fā)動機潤滑機油壓力不得低于0.6 MPa。

（6）膠輪車機油溫度≤125℃。

按照上述監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)要求，制定出的膠輪車安全參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 膠輪車檢測項目設(shè)定值

通過對柴油膠輪車危險因素進(jìn)行分析，可以按照煤礦膠輪車參數(shù)檢測項目要求，設(shè)計出礦用柴油機膠輪車檢測系統(tǒng)方案。

1.2 柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)柴油膠輪車運行檢測系統(tǒng)功能要求，安全監(jiān)控系統(tǒng)需要實時采集膠輪車運行中的參數(shù)信息，將參數(shù)信息與設(shè)定的保護(hù)值進(jìn)行比較，當(dāng)超過保護(hù)值時自動發(fā)出報警信號； 通過設(shè)計硬件系統(tǒng)采集環(huán)境參數(shù)以及膠輪車溫度信息，由軟件系統(tǒng)上傳到上位機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對膠輪車運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和智能報警，并且通過控制電磁閥執(zhí)行有關(guān)的設(shè)備保護(hù)動作。整個系統(tǒng)由信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、通訊模塊、上位機顯示模塊等部分組成。利用傳感器檢測環(huán)境中的有毒有害氣體參數(shù)，將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒉杉降臄?shù)據(jù)通過總線發(fā)送到單片機控制系統(tǒng)，利用軟件系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)檢測到的參數(shù)值大于標(biāo)定值時，將會觸發(fā)報警裝置從而執(zhí)行有關(guān)的控制指令，觸發(fā)報警裝置并執(zhí)行有關(guān)的控制動作，關(guān)閉電磁閥，保證柴油膠輪車的安全可靠運行。組成系統(tǒng)的模塊以及模塊執(zhí)行功能如表2 所示。

表2 柴油膠輪車組成系統(tǒng)模塊及功能

系統(tǒng)控制流程為由單片機控制數(shù)據(jù)采集模塊對環(huán)境中的參數(shù)信息進(jìn)行實時采集，并通過硬件信號調(diào)理電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理隨后上傳到單片機系統(tǒng)，根據(jù)單片機中控制程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否超過安全值，從而控制電磁閥執(zhí)行有關(guān)的動作，保證柴油膠輪車的安全運行。整個檢測系統(tǒng)由硬件模塊與軟件控制系統(tǒng)組成。

2 硬件系統(tǒng)組成與軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)模塊組成

為了采集膠輪車所處煤礦井下環(huán)境參數(shù)信息并對膠輪車自身的運行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要配置用于采集物理信號的傳感器。本次設(shè)計的膠輪車檢測系統(tǒng)布置傳感器有溫度傳感器、CO 傳感器、CH4傳感器、壓力傳感器以及CO2傳感器等。根據(jù)系統(tǒng)檢測要求以及保護(hù)值要求，采用10 路傳感器測量各自的物理信號，傳感器檢測模塊選型如表3 所示。

表3 傳感器選型與參數(shù)

如表3 所示，通過采用多種傳感器，一方面檢測柴油膠輪車關(guān)鍵部位在運行過程中的參數(shù)信號，另一方面采集環(huán)境中的物理參數(shù)，實現(xiàn)對柴油膠輪車的安全穩(wěn)定運行工況的檢測。整個單片機控制模塊采用的核心芯片為AT89C52，將采集到的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑦M(jìn)行處理和比較。數(shù)據(jù)顯示模塊選用的是12 864 液晶顯示屏用于動態(tài)顯示信號參數(shù)。電源模塊選用車載電池24V 轉(zhuǎn)為5V 實現(xiàn)對單片機系統(tǒng)的供電，通過穩(wěn)壓電路對電源電壓進(jìn)行穩(wěn)定。硬件系統(tǒng)模塊原理如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)模塊原理

從上圖1 中可以看出，整個檢測系統(tǒng)是由傳感器以及硬件電路組成，主要電路有溫度采集電路、溫度聲光報警電路、CO 濃度采集模塊電路以及鍵盤控制電路等，各個控制電路分別連接到單片機主控電路系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)從端到端的控制。單片機主控電路原理如圖2 所示。

圖2 單片機主控電路原理

如上圖2 所示，單片機主控電路由電源電路、復(fù)位電路和晶振電路組成。電源電路是將外部24V 電源轉(zhuǎn)變?yōu)?V 電源從而為單片機進(jìn)行供電，復(fù)位電路的功能在上電時可以提供復(fù)位信號使得電源穩(wěn)定，晶振電路是需要時鐘的驅(qū)動才能夠正常工作，在單片機中有大量的時鐘振蕩電路，其中的C2 和C3 電容為22 pF，石英晶振頻率為6 MHz，通過外部連接一個振蕩源可以實現(xiàn)在一定周期內(nèi)時鐘信號的控制。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對柴油膠輪車運行過程智能檢測與判斷需要設(shè)計出軟件控制系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)與保護(hù)值進(jìn)行比較判斷，觸發(fā)保護(hù)裝置。柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)控制流程如圖3 所示。從圖中可知，柴油膠輪車啟動之后首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確定是否正常，確認(rèn)正常后正式開始運行并且實現(xiàn)循環(huán)檢測，當(dāng)參數(shù)信息超過標(biāo)準(zhǔn)值時將會觸發(fā)聲光報警。

圖3 檢測系統(tǒng)運行流程

針對柴油膠輪車運行檢測系統(tǒng)軟件部分，采用模塊化設(shè)計理念進(jìn)行自上而下的設(shè)計，并使用keil 軟件環(huán)境編寫控制系統(tǒng)程序，整個檢測系統(tǒng)主要包括主程序模塊，數(shù)據(jù)采集模塊、聲光報警子程序以及通訊系統(tǒng)子程序塊等部分組成。

在主程序中包含了不同的功能程序塊，通過主程序可直接對各個功能程序塊進(jìn)行調(diào)用，通過判斷測定的參數(shù)值是否超過標(biāo)準(zhǔn)值，確定是否執(zhí)行程序塊。系統(tǒng)通過初始化進(jìn)行自診斷，運行正?？梢赃M(jìn)行初始化，隨后對溫度、壓力以及有毒有害氣體的濃度進(jìn)行循環(huán)檢測，再對信號進(jìn)行處理，處理完成后判斷是否超過設(shè)定值，沒有超過設(shè)定值時將會在顯示屏上動態(tài)顯示，當(dāng)超過設(shè)定值時，對異常自動生成的歷史，記錄并進(jìn)行報警。在執(zhí)行主程序塊時，需要對其進(jìn)行設(shè)置初始化，并對定時器進(jìn)行初始化、I/O 口初始化以及對參數(shù)進(jìn)行配置。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

本次完成的柴油機膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)于2021年6 月18 日在山西省長治經(jīng)紡煤業(yè)有限公司進(jìn)行現(xiàn)場安裝和調(diào)試，將傳感器布置在柴油膠輪車車體側(cè)方、將尾氣檢測傳感器布置在膠輪車尾氣排放管位置、將溫度傳感器安裝在柴油膠輪車柴油機身檢測其溫度變化，安裝效果如圖4（a）所示。利用無線通訊模塊建立了柴油膠輪車與上位機之間的聯(lián)系，開發(fā)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面，在實際檢測中的上位機界面，其中CO 氣體的濃度為5 ppm，尾氣溫度為71℃，機身的溫度值為110℃，如圖4（b）所示。

圖4 安全運行監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

整個監(jiān)控系統(tǒng)是利用上位機軟件程序?qū)⒂涗浀臋z測數(shù)據(jù)導(dǎo)出歷史記錄，對系統(tǒng)在運行過程中檢測值以及系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行對比，從而判斷出是否超標(biāo)，最終得到柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)在6 個月內(nèi)的運行狀態(tài)。歷史記錄中導(dǎo)出的監(jiān)控數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 檢測歷史記錄

從上表中可以看出，柴油膠輪車監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了膠輪車運行工況的實時監(jiān)測，并且對其是否合格進(jìn)行自動判斷。當(dāng)系統(tǒng)在啟動時參數(shù)值沒有在設(shè)定范圍內(nèi)將無法滿足啟動要求，在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中會自動顯示。系統(tǒng)設(shè)定值和檢測值之間的差距基本上在保護(hù)范圍內(nèi)波動，在實際運行過程中當(dāng)參數(shù)值超限時將會發(fā)出警報并及時提醒維檢人員進(jìn)行檢修，如果在發(fā)出警報后一日內(nèi)沒有解決異常，柴油膠輪車將會自動停機，有效避免事故發(fā)生。

4 結(jié)語

針對柴油膠輪車在運行過程中檢測問題，基于柴油膠輪車在煤礦井下運行要求以及環(huán)境檢測要求，設(shè)計了一套柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)方案。通過在柴油膠輪車機身上搭載多種智能檢測傳感器實現(xiàn)對膠輪車運行工況以及自身運行狀態(tài)的實時檢測，設(shè)計了配套的軟件監(jiān)控系統(tǒng)，利用模塊化編程思想編寫了控制系統(tǒng)程序。經(jīng)經(jīng)紡煤業(yè)有限公司現(xiàn)場應(yīng)用表明，本次提出的這套柴油膠輪車安全運行檢測系統(tǒng)識別靈敏度高、能夠準(zhǔn)確采集環(huán)境參數(shù)并智能分析，響應(yīng)時間≤0.5 s，取得良好的應(yīng)用效果，可以有效避免煤礦柴油膠輪車使用過程中引發(fā)事故，保證煤礦井下輔助運輸?shù)姆€(wěn)定高效運行，大大節(jié)省了企業(yè)成本，具有推廣應(yīng)用價值。