礦車離位檢測(cè)與報(bào)警裝置硬件設(shè)計(jì)

梅 斌,楊杏本,光正國(guó)

(1.湖北師范學(xué)院 教育信息與技術(shù)學(xué)院， 湖北 黃石 435002;2.武漢鋼鐵集團(tuán) 大冶鐵礦,湖北 黃石 435006))

0 引 言

在礦山企業(yè)中，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，礦石產(chǎn)量的提高，對(duì)罐籠礦石提升提出了安全和高效的要求。[1]然而罐籠內(nèi)礦車在提升過(guò)程中存在以下重大不安全因素：礦車在由推車器推入罐籠時(shí)可能由于未推到位或推力過(guò)大而反彈出來(lái)離開(kāi)安全位置，若離開(kāi)安全位置距離不大，人眼不能察覺(jué)，工人發(fā)出提升信號(hào)后，在提升過(guò)程中礦車極有可能脫出罐籠掉入井底，砸壞井筒和設(shè)備，不但造成經(jīng)濟(jì)損失還會(huì)影響安全生產(chǎn)，此類礦山礦車墜井事故在國(guó)內(nèi)時(shí)有發(fā)生。在目前的技術(shù)條件下，礦車是否離位由人來(lái)觀察，不僅效率低，還存在許多不確定因素。為了有效地預(yù)防礦車墜井重大安全事故的發(fā)生，需要有高效的自動(dòng)化檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)來(lái)保障。

礦車離位檢測(cè)與報(bào)警裝置的研究和設(shè)計(jì)將有效解決上述安全問(wèn)題，該裝置的主要功能是在礦車離開(kāi)安全位置的瞬間發(fā)出報(bào)警信號(hào)、鎖定提升信號(hào)，禁止動(dòng)罐，從而防止礦車墜井事故的發(fā)生，既保障了安全又防止了事故帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。

離位報(bào)警裝置在銀行、軍隊(duì)、家庭等應(yīng)用場(chǎng)合的安防監(jiān)控系統(tǒng)中已有研究和應(yīng)用[2～3]，但在礦山企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其應(yīng)用環(huán)境和距離檢測(cè)精度對(duì)系統(tǒng)要求很高，目前還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品，本文研究并設(shè)計(jì)一種基于超聲波測(cè)距傳感器和射頻無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的礦車離位檢測(cè)報(bào)警裝置。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

礦車離位檢測(cè)與報(bào)警裝置，包含中央控制器、罐籠端礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)、離位信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)、離位信息顯示與報(bào)警子系統(tǒng)以及電源管理子系統(tǒng)。[4]罐籠端礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)與中央控制器連接，包含兩個(gè)距離檢測(cè)傳感器及信號(hào)調(diào)理電路，距離檢測(cè)傳感器分別設(shè)置于罐籠內(nèi)兩側(cè)的礦車安全極限位置處；中央控制器通過(guò)無(wú)線傳輸子系統(tǒng)與罐籠控制室內(nèi)的離位信息顯示報(bào)警子系統(tǒng)連接；電源管理子系統(tǒng)給罐籠內(nèi)的礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)、中央控制器及離位信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

礦車離位檢測(cè)與報(bào)警裝置通過(guò)距離檢測(cè)傳感器對(duì)罐籠內(nèi)的礦車位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)?shù)V車離位時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳輸子系統(tǒng)通知離位信息顯示與報(bào)警子系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并根據(jù)需要鎖定罐籠控制信號(hào)；在礦車歸位之后，釋放對(duì)罐籠的控制鎖定，保證礦車及操作人員安全、提高礦井運(yùn)輸生產(chǎn)效率，減少礦車墜井事故發(fā)生機(jī)率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦車離位檢測(cè)與報(bào)警裝置由軟硬件協(xié)同完成位置信息的采集、處理、判斷和狀態(tài)顯示、離位鎖定及報(bào)警。系統(tǒng)硬件包括中央控制器、罐籠端礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)、離位信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)以及離位信息顯示與報(bào)警子系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)礦車位置信息的采集、通信，并為信息的判斷處理和狀態(tài)顯示提供硬件電路上的支持。離位信息顯示與報(bào)警子系統(tǒng)設(shè)計(jì)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此硬件設(shè)計(jì)部分不再詳述。

2.1 中央控制器電路設(shè)計(jì)

中央控制器電路是整個(gè)硬件系統(tǒng)的控制核心，電路包含主控單片機(jī)及其外圍電路、接口電路及狀態(tài)指示電路。中央控制器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控單片機(jī)采用ATMEL公司高性能微控制器AT89S52，含8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器、看門狗、雙數(shù)據(jù)指針，具有低功耗、可在線編程等優(yōu)點(diǎn)[5]，它負(fù)責(zé)控制距離檢測(cè)傳感器和射頻數(shù)據(jù)傳輸模塊及狀態(tài)指示電路。

圖2 中央控制器電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖3 礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖

礦車位置實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)電路是檢測(cè)礦車是否離位的關(guān)鍵電路，由距離檢測(cè)傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，信號(hào)調(diào)理電路輸出的數(shù)字信號(hào)直接送至中央控制器的主控單片機(jī)，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。距離檢測(cè)傳感器采用加拿大ABM公司的ABM-300型超聲波距離檢測(cè)傳感器。由于本應(yīng)用只需檢測(cè)礦車是否離位，信號(hào)調(diào)理電路不需要將模擬信號(hào)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，而只需要將距離檢測(cè)傳感器反饋回的4～20mA模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并與一個(gè)基準(zhǔn)電壓比較，比較結(jié)果傳送給主控單片機(jī)。比較結(jié)果為數(shù)字信號(hào)0或1，代表礦車離位與否，而基準(zhǔn)電壓要根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行安裝前的調(diào)節(jié)。

2.3 離位信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的礦車載體罐籠是運(yùn)動(dòng)物體，為了將礦車離位信息傳遞給罐籠控制室，需要設(shè)計(jì)離位信息無(wú)線傳輸子系統(tǒng)電路。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本和提高系統(tǒng)可靠性，本系統(tǒng)直接采用法國(guó)科尼斯公司的WAVECARD型射頻無(wú)線傳輸模塊。射頻無(wú)線傳輸模塊與主控單片機(jī)間的數(shù)據(jù)交換由中央控制器電路上的射頻數(shù)據(jù)傳輸模塊接口進(jìn)行管理。

2.4 電源管理子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電源管理電路管理整個(gè)中央控制單元電路板上所有模塊的電源供應(yīng)，將12V直流供電進(jìn)行降壓產(chǎn)生3V、5V直流電分別供給射頻數(shù)據(jù)傳輸模塊和單片機(jī)使用，升壓產(chǎn)生24V直流電供給距離檢測(cè)傳感器使用，需要注意的是升壓電路不能產(chǎn)生超聲波頻段的干擾，否則會(huì)影響超聲波距離檢測(cè)傳感器的正常工作。

2.5 離位信息顯示與報(bào)警子系統(tǒng)輔助控制電路設(shè)計(jì)

輔助控制電路實(shí)際上是由單片機(jī)控制的無(wú)線數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)與控制電路，它接收罐籠內(nèi)中央控制單元發(fā)來(lái)的離位信息數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并控制罐籠升降信號(hào)的鎖定與否，電源由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的USB接口提供。輔助控制電路上的單片機(jī)由于沒(méi)有計(jì)算和復(fù)雜的控制任務(wù)，選擇AT89C2051足以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，單片機(jī)從串行數(shù)據(jù)接口接收罐籠升降信號(hào)鎖定信息并通過(guò)罐籠升降信號(hào)鎖定電路中的繼電器控制罐籠升降信號(hào)是否被鎖定。運(yùn)行于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的程序根據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示礦車狀態(tài)，如果礦車離位，還要發(fā)出聲光報(bào)警。根據(jù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上程序的工作模式設(shè)置，用戶可以選擇在礦車離位的情況下是否鎖定罐籠升降信號(hào)。輔助控制電路模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 輔助控制電路模塊結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

礦車離位檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)采用豎井提升礦山的安全生產(chǎn)可以起到重要的技術(shù)性輔助作用。經(jīng)過(guò)兩年的研究開(kāi)發(fā)，我們研制出了試用產(chǎn)品，目前已經(jīng)在武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司大冶鐵礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了一年的試驗(yàn)性應(yīng)用。從用戶反饋的信息來(lái)看，該系統(tǒng)對(duì)礦車墜井事故能起到有效的預(yù)防作用。但在試用的過(guò)程中，也暴露出系統(tǒng)存在的不足，系統(tǒng)安裝在移動(dòng)的罐籠中，只能采用電池供電，電池充電后連續(xù)工作時(shí)間與成本和占用罐籠空間是一對(duì)矛盾，目前系統(tǒng)每三天需要充一次電，這對(duì)使用者來(lái)說(shuō)不太方便，今后在供電和節(jié)能方面將作一些改進(jìn)?？偟膩?lái)說(shuō)，這是一個(gè)成功的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]章啟忠, 光正國(guó), 毛孝林，等. 礦山井筒安全隱患監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] . 金屬礦山, 2009, 396(6):130～135.

[2]巫駟龍, 程 恩, 袁 飛. 基于CC2430的離位報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] . 四川兵工學(xué)報(bào), 2010, 31(12):59～62.

[3]黃志瑛, 馮根生. 執(zhí)勤槍支離位報(bào)警系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2008,31(2):130～132.

[4]梅 斌,光正國(guó),江 兵，等. 一種礦車離位檢測(cè)裝置:中國(guó), ZL 2011 2 0279616.9[P].2011-08-03.

[5]Atmel 公司.AT89S52用戶手冊(cè)[K]. 美國(guó)加利福尼亞, Rev 1919A-07/01, 2001.