基于無線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳曉鵬,謝麗君,陳享姿

(長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,湖南 長沙 410217)

0 引言

剛性罐道狀態(tài)好壞直接關(guān)系到提升作業(yè)能否正常進行。當剛性罐道系統(tǒng)發(fā)生程度較小的故障時,會在提升容器上激發(fā)異常振動;而故障程度較大時,甚至可能引發(fā)重大安全事故。如在提升容器上行過程中,嚴重的罐道故障使得罐耳無法通行,導(dǎo)致容器被卡在井筒中,發(fā)生卡罐事故,如果此時提升機沒有緊急制動,鋼絲繩繼續(xù)卷繞,則會超過其破斷拉力而引發(fā)斷繩事故,容器因失去牽引力而墜落,發(fā)生墜罐事故。剛性罐道局部或整體的磨損會造成罐籠停罐后與剛性罐道之間的距離不斷變大,致使礦車進出罐籠時,罐籠的晃動量及擺動量增加,進而導(dǎo)致罐籠內(nèi)礦車脫軌事故增加,雙面自動進出車搖臺受損,維修頻率縮短,增加工程人員的維修量等。

由于罐道工作環(huán)境的特殊性,在罐道故障發(fā)展到一定程度之前,很難發(fā)現(xiàn)故障的一些表面特征。而且由于缺乏可操作性強的判別標準,對故障的發(fā)展趨勢不能準確預(yù)測,這種潛在的安全隱患可能造成煤礦提升設(shè)備的嚴重故障。因此,本文設(shè)計了一種基于無線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測系統(tǒng),在罐道使用過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在隱患、故障,保證提升系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行[1]。

剛性罐道由若干根導(dǎo)軌通過罐道梁相互剛性地連接在一起,沿井筒的全深度鋪設(shè)。剛性罐道的截面是空心矩形,一般由槽鋼焊接而成,主要優(yōu)點是側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)強度大,罐道剛性強。由于剛性罐道在一定程度上克服了柔性罐道的不足,減小井筒斷面的同時,能夠滿足深井高速重載的要求,因此,剛性罐道在井筒裝備中應(yīng)用比較廣泛。

1 整體結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測系統(tǒng)使用激光位移傳感器測量兩側(cè)罐道之間的距離;利用加速度傳感器的數(shù)據(jù)分析罐籠的振動信息,判斷罐道運行狀態(tài);通過視頻信號檢測罐道工況,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集裝置測試

由圖1可知,在測量過程中設(shè)備將會隨罐籠上下運動,在提升或者下降時,加速度傳感器分別測量x、y、z3個方向的加速度變化情況,了解提升容器在3個方向的振動情況;激光位移傳感器則分別測量罐道與提升容器之間、提升容器兩側(cè)罐道之間距離變化。根據(jù)視頻攝像頭實時傳送的視頻畫面觀測罐道的實際情況。對于在井筒中罐籠位置的確定,采用霍爾傳感器測量井筒的深度,通過不斷地監(jiān)測霍爾傳感器的脈沖,可以準確實現(xiàn)罐籠位置的監(jiān)測,為判斷罐道故障信息提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在井口處安裝2個礦用本安型磁性接近開關(guān),通過監(jiān)測開關(guān)的信號判斷罐籠是否達到指定的位置[2]。

采集多種傳感器數(shù)據(jù),使用微控制器進行數(shù)據(jù)處理,通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,井口的無線接收裝置接收無線數(shù)據(jù)信號,然后通過礦用網(wǎng)線傳輸至上位機。絞車房內(nèi)的上位機根據(jù)各個傳感器采集的數(shù)據(jù),實時監(jiān)測罐道間距數(shù)值和加速度數(shù)值的變化,并根據(jù)間距數(shù)值、加速度數(shù)值以及罐籠行程信號判斷罐道在某個位置的實際情況。當監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)傾斜、磨損、彎曲等故障時會發(fā)出故障燈、語音報警等信號,并在必要時切斷安全回路,將報警數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫以備查詢。

井口無線接收裝置由井上供電,數(shù)據(jù)通信采取布礦用網(wǎng)線接口方式通信。依據(jù)礦井中罐道檢測的常用方法,對每一個罐籠的罐道分別進行檢測。因此,采用單罐籠檢測的設(shè)計方法,在其中一個罐籠檢測完畢之后,可以將設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一個罐籠上,進行定位測量。

2 罐道在線監(jiān)測裝置設(shè)計

基于無線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測系統(tǒng)硬件由傳感器、數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置、無線接收裝置、罐籠行程監(jiān)測裝置、視頻解碼器等組成[3-5]。

2.1 測距傳感器

采用罐籠運行過程中對罐道間距進行監(jiān)測的方法。接觸式測距在靜態(tài)測量中使用性能較好,但對于罐道間距監(jiān)測這種動態(tài)監(jiān)測場合,其性能并不能滿足實際要求,因此,選用非接觸式的測距傳感器——激光測距傳感器,其有以下特點:(1)激光波長單一、精度高,且儀器結(jié)構(gòu)較小;(2)激光方向性較好、垂直性較好;(3)非接觸式測量、速度快、抗光電干擾能力強;(4)抗噪聲能力強、信噪比高。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器是將加速度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器,可用于慣性力、沖擊力及振動等參數(shù)的測量。當罐道某部位發(fā)生變形等故障時,提升容器運行到故障位置時,加速度信號可以反映罐道整體以及某個位置的運行情況。由3個方向慣性加速度傳感器組成的3軸加速度傳感器,適用于煤礦井筒惡劣的環(huán)境。

2.3 攝像頭

攝像頭可分為模擬攝像頭和數(shù)字攝像頭。模擬攝像頭是將捕捉到的圖像信息轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出,但是計算機只能識別數(shù)字信號,因此模擬攝像頭通常都有一個視頻采集設(shè)備,將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號,并經(jīng)過壓縮后應(yīng)用到計算機中。數(shù)字攝像頭內(nèi)部有轉(zhuǎn)換裝置,直接輸出數(shù)字信號與計算機相連接[6]。

在實際使用中,由于煤礦井筒環(huán)境惡劣,當罐籠運行到井筒中部時,沒有照明設(shè)備,周圍環(huán)境非常陰暗,使用普通的攝像頭滿足不了實際情況的要求,因此需要選用具有紅外功能的攝像頭,這樣就可以在黑暗的條件下仍能觀察到物體,同時由于紅外攝像頭工作環(huán)境的特殊性,在選型時必須選擇防爆的紅外攝像頭。

2.4 數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置

數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置實時采集傳感器數(shù)據(jù)并進行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換結(jié)果打包并和上位機進行通信,發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置主要由以下4部分組成[7-8]。

2.4.1 供電電源

數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置位于提升容器上,所以供電電源必須為移動電源,要有較大容量、較小重量且安全可靠。對于蓄電池來說,衡量其性能的基本參數(shù)主要有:電池容量、額定電壓、能量、記憶效應(yīng)、工作溫度、環(huán)境適用性等。經(jīng)過比較分析,同時嚴格按照國家煤炭標準中對電池的要求,選擇30 AH、12 V的鎳氫電池,其優(yōu)點是:耐過充過放、高速放電能力強、使用安全、價格相對便宜、功率密度大、無記憶特性。

2.4.2 穩(wěn)壓電路

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器的需要,設(shè)計不同電壓等級的多路隔離電源電路,如12 V、5 V等;同時,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的單片機、A/D轉(zhuǎn)換芯片等元器件的工作電壓等級為3.3 V。考慮到使用一個電源模塊,可能由于電路中其他元件的電源波動,造成A/D和單片機工作不穩(wěn)定,從而引起測量結(jié)果不準確,因此采用為微控制器進行單獨供電的方式,保證電源的穩(wěn)定可靠。

2.4.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路以微控制器STM32芯片為核心,STM32芯片驅(qū)動多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1148對2路位移傳感器信號和供電電池電壓進行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過無線方式傳送至其他處理模塊。

2.4.4 數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置程序設(shè)計

位移、加速度等數(shù)據(jù)由微控制器進行采集,在對采集數(shù)據(jù)結(jié)果進行適當處理后,微控制器將最終的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到無線發(fā)射模塊,與上位機進行通信。

微控制器上電后對硬件參數(shù)進行初始化,等待上位機發(fā)送命令,當接收到數(shù)據(jù)后,程序進入串口接收中斷服務(wù)子程序,確認接收到的數(shù)據(jù)為“數(shù)據(jù)發(fā)送命令”后,驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1148連續(xù)循環(huán)采集各傳感器信號和供電模塊的電壓信號。程序采用平均值濾波算法,得到要發(fā)送的采集數(shù)據(jù)并進行串口發(fā)送,發(fā)送完成退出中斷服務(wù)子程序。采用平均值濾波算法可以去除在采集過程中隨機信號的干擾,從而使測量結(jié)果更加可靠。

2.5 無線接收裝置

在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了一個無線數(shù)據(jù)接收裝置安裝于井口。數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置主要是將采集的數(shù)據(jù)通過無線調(diào)制技術(shù),將信號通過無線電波發(fā)射出去。無線接收裝置接收無線信號并通過礦用網(wǎng)線通信方式將信號傳輸至上位機。數(shù)據(jù)采集裝置安裝在移動的罐籠上,由電源箱作為供電電源。為降低電源箱功耗,在罐籠到達頂部或底部等特殊位置時,上位機發(fā)送設(shè)置指令,使數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)的單片機和無線通信模塊分別進入睡眠模式,降低電量消耗。在需要采集數(shù)據(jù)時,使單片機和無線通信模塊退出睡眠模式,正常工作。

2.6 罐籠行程監(jiān)測裝置

2.6.1 罐籠平位信號監(jiān)測

罐籠平位信號,即罐籠到達設(shè)置停止提升位置的開關(guān)量信號。由于每臺提升機配備2個罐籠,所以罐籠平位信號為2路開關(guān)量信號,采用磁性接近開關(guān)進行測量。磁性接近開關(guān)主要由2部分構(gòu)成:接近開關(guān)探頭和磁鋼,其中磁鋼安裝在罐籠側(cè)面的適當位置,隨罐籠一起在井筒中運動;接近開關(guān)探頭安裝在井口,需要進行多次測試,以保證接近開關(guān)探頭和磁鋼配合的位置在每次罐籠到位的時候均能夠?qū)省?/p>

2.6.2 井中罐籠位置信號監(jiān)測

在提升機驅(qū)動裝置電機附近的高速轉(zhuǎn)動軸上,沿著圓周方向安裝一圈特制的磁鋼,在高速轉(zhuǎn)動軸的徑向方向安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器探頭。當高速轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)時,磁鋼和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器相互配合,利用罐籠行程監(jiān)測裝置監(jiān)測到大量的脈沖信號,實現(xiàn)罐籠在井筒中位置的監(jiān)測。在提升機電機高速轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動過程中,不僅可以通過測量脈沖個數(shù)獲得滾筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù),進而計算罐籠的實時行程,同時也可以通過脈沖判斷滾筒轉(zhuǎn)動方向,從而確定滾筒的正、反轉(zhuǎn)。霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測量結(jié)果準確度高,輸出信號便于遠距離傳輸和處理。

2.6.3 罐籠行程監(jiān)測程序設(shè)計

罐籠行程監(jiān)測裝置以微控制器STM32為核心,采集罐籠到位信號和罐籠井中位置信號,與上位機進行通信,將監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。此外,罐籠行程監(jiān)測裝置還能根據(jù)上位機的指令控制輸出繼電器閉合。罐籠到位信號頻率較低,監(jiān)測簡單,通過查詢方式即可實現(xiàn)。罐籠井中位置信號最高頻率為100 kHz,通過計數(shù)器來實現(xiàn)霍爾傳感器脈沖信號的監(jiān)測,脈沖電平的變化將觸發(fā)計數(shù)器的外部中斷,從而對脈沖個數(shù)進行監(jiān)測。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

基于無線傳輸?shù)墓薜涝诰€監(jiān)測系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)管理、在線監(jiān)測、信號分析、監(jiān)控中心4個部分,軟件系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能

4 結(jié)語

結(jié)合剛性罐道的典型故障,考慮在線監(jiān)測系統(tǒng)實際工作環(huán)境,基于STM32微處理器,本文設(shè)計了無線傳輸罐道監(jiān)測系統(tǒng)。針對無線傳輸罐道監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件及其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,對系統(tǒng)軟、硬件的功能與實現(xiàn)方式進行了設(shè)計,滿足礦井剛性罐道故障監(jiān)測的實際需求,為無線技術(shù)在礦井中的應(yīng)用提供了借鑒。