礦用移動電纜接頭環(huán)境監(jiān)測終端設計

潘志棟（呂梁學院礦業(yè)工程系，山西離石，033000）

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礦用移動電纜接頭環(huán)境監(jiān)測終端設計

潘志棟
（呂梁學院礦業(yè)工程系，山西離石，033000）

摘要：針對礦用移動電纜接頭不正常運行引發(fā)的礦用隔爆開關運行安全問題，設計了相應的監(jiān)測終端。監(jiān)測終端使用DS18B20、MQ-4和AM2303為傳感器，以STC15W4K單片機為控制核心，采用輪巡方式顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。試驗結果表明，（1）監(jiān)測終端對電纜接頭溫度和外環(huán)境CH4濃度的監(jiān)測誤差均小于10%，滿足工程精度需要；（2）在STC15W4K單片機為核心的硬件仿真環(huán)境支持下，系統(tǒng)維護方便。

關鍵詞：礦用移動電纜；電纜接頭；監(jiān)測終端；硬件仿真

基金：校內(nèi)基金項目（編號：ZRXN201505）:掘進工作面安全監(jiān)控實訓平臺的設計與實現(xiàn)

0 引言

提高煤礦安全生產(chǎn)水平，加強電纜電氣設備維護是一個很重要的方面。2009年2月22日的山西屯蘭礦的井下特別重大瓦斯爆炸事故，引火源來自一臺隔爆開關的接線柱，由于電纜接頭出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)，且未及時發(fā)現(xiàn)，最終造成接線柱放電，引發(fā)此次瓦斯爆炸。

電纜接頭壓接質(zhì)量只能在設備運行中才能得到檢驗。對電纜接頭溫度進行監(jiān)測，可及時發(fā)現(xiàn)電纜接頭運行狀態(tài)是否正常。實踐證明，溫度是表征電纜接頭質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。具有不受電磁干擾，獲取方式容易實現(xiàn)等優(yōu)點。

圖1.1 系統(tǒng)工作原理框圖

另一方面，隨著環(huán)境溫度的升高，煤巖強度在顯著降低，吸附瓦斯會變?yōu)橛坞x瓦斯而逸出，嚴重影響電氣設備的安全穩(wěn)定運行。高濕環(huán)境則會降低電氣設備絕緣強度、加速金屬材料腐蝕和促使霉菌生長。因此，監(jiān)測終端有必要增加設備環(huán)境CH4濃度和溫濕度監(jiān)測功能。

1 系統(tǒng)總體設計

圖1.1為系統(tǒng)工作原理框圖。監(jiān)測終端主要功能由系統(tǒng)板完成。

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

系統(tǒng)板選擇的單片機為宏晶科技推出的STC15W4K58S4（文中簡記為MCU）。

MCU通過P3.0和P3.1端口與MAX232芯片組成的電路具有硬件仿真功能。

系統(tǒng)板通過74LS138加八位共陽數(shù)碼管來實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)輪巡顯示。采用獨立按鍵實現(xiàn)參數(shù)整定。

通過按鍵P1_2_ok/ P1_2_ks/ P1_6_plus/ P1_7_minus，用戶可設置監(jiān)測終端系統(tǒng)時間、溫度上限及溫差上限。

2.2 參數(shù)采集電路

系統(tǒng)參數(shù)采集元件包括接頭溫度傳感元件DS18B20、環(huán)境參數(shù)傳感元件AM2303與MQ-4。

MCU與多支DS18B20采用一線總線（DAT數(shù)據(jù)線接P1_3）進行通信。

AM2303濕度測量范圍0～100RH%，溫度測量范圍為-40～125℃。在圖2.2中，AM2303與MCU通過一線總線（SDA連接P1_5）進行通信。

圖2.2 AM2303及其電路接口

3 系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)程序主要由主程序、定時中斷程序和監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取子程序組成。

3.1 主程序和定時中斷服務程序

主程序負責周期性調(diào)用電纜接頭溫度獲取子程序，系統(tǒng)時間獲取子程序，環(huán)境溫濕度獲取子程序和環(huán)境CH4濃度獲取子程序。

定時中斷服務程序的作用有兩條：（1）MCU取得所需數(shù)據(jù)后，實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)及時更新和監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。（2）控制每類監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示時長（5秒）。數(shù)據(jù)顯示時長結束，系統(tǒng)進入下一類數(shù)據(jù)獲取及處理流程中。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)設置程序

用戶可通過獨立按鍵進行（系統(tǒng)日期系統(tǒng)時間最高允許溫差最高允許溫度）參數(shù)設置。

3.3 環(huán)境CH4濃度的獲取

結合參考文獻［7］試驗，在工程精度許可的前提下，推得公式1：

Y=［（200X-152）/100 .0］% ，Y∈［0.4%，1.0%］（公式1）

MCU獲取CH4濃度數(shù)據(jù)分三步。

1、MQ-4正常運行，經(jīng)AO線送出模擬電壓X。

2、MCU內(nèi)部執(zhí)行A/D轉換，取得模擬電壓值；

3、借助公式1得到CH4濃度Y。

3.4 AM2303環(huán)境溫濕度獲取

圖3.1是測得的終端系統(tǒng)的SDA時序信號波形。

圖3.1 AM2303與MCU通信時序圖

對濕度數(shù)據(jù)（RH-H8/RH-L8）進行處理（0x0270=624d），得到所測環(huán)境濕度為62.4%。對溫度數(shù)據(jù)（CC-H8/CC-L8）進行處理（0xB4=180d），得到所測環(huán)境溫度為18.0℃。

4 試驗結果

借助實驗裝置及測溫儀器TM-902C，對實驗室6臺電氣開關接頭溫度測試；借助實驗裝置及礦用傳感器調(diào)校裝置，對CH4濃度試驗，結果如圖4.1與4.2所示。

表4.1 接頭溫度試驗結果

表4.2 監(jiān)測終端CH4濃度測試結果

5 結束語

隔爆開關的運行安全監(jiān)測很重要。針對隔爆開關電纜接頭不正常運行或設備外環(huán)境不安全引發(fā)的安全問題，設計了相應的監(jiān)測終端。試驗結果顯示，該裝置對電纜接頭溫度監(jiān)測誤差小于10%，對CH4濃度監(jiān)測誤差也小于10%。因此該裝置滿足設計要求，可以用于監(jiān)測電纜接頭溫度和外環(huán)境參數(shù)。

參考文獻

［1］劉天野， 礦用綜合保護器在用測試技術研究［D］，中北大學，2014. 第 125頁.

［2］孫繼平， 屯蘭煤礦“2·22”特別重大瓦斯爆炸事故原因及教訓. 煤炭學報， 2010（01）： 第72-75頁.

Design of monitoring terminal for mine movable cable junction and outer environment

Pan Zhidong
（Mining Engineering Department， Lvliang university，Lishi 033000，Shanxi Province，China）

Abstract：For flame-proof switch safe problems caused by mine movable cable junction abnormal operation，the corresponding monitoring terminal is designed.The device is implemented by Using such sensing components as DS18B20，MQ-4 and AM2303，using a microcontroller of STC15W4K as the key control chip，and by means of polling mode to display monitoring data.Experiment results show that（1）monitoring error of the terminal about the junction maximum temperature and the gas concentration of CH4 in the outer device environment is not more than 10%，which meets the needs of the engineering accuracy.（2）with the aid of the hardware simulation and debug platform provided by the microcontroller of STC15W4K，the monitoring program may be easier to maintain than ever before.

Keywords：mine movable cable；cable junction； monitoring terminal；hardware simulation

中圖分類號：TP39

文獻標識碼：

作者簡介

潘志棟（1975-），男（漢族），山西平定人，碩士，講師，主要研究方向為礦山監(jiān)控系統(tǒng)