基于單片機的礦井松繩監(jiān)測裝置

吳治榮，董登文

（隴東學院，甘肅 慶陽 745000）

礦井提升機是礦井生產(chǎn)中的主要設備之一，是井下與地面之間運送物料及人員的紐帶。《煤礦安全規(guī)程》對提升機的運行、維護有著嚴格的要求，規(guī)程明確規(guī)定，提升機必須設置松繩保護，并將其接入安全報警回路，當出現(xiàn)鋼絲繩松弛時能自動檢測報警并能夠停止提升機運行[1]。纏繞式提升機的提升容器和提升機運行速度不一致時，鋼絲繩由于自重下垂，可能會伴有鋼絲繩扭結現(xiàn)象。鋼絲繩松弛到一定程度時，若提升容器突然下落，則鋼絲繩在巨大的沖擊作用下可能斷裂造成墜箕斗事故。因此，對于松繩現(xiàn)象的檢測尤為重要。現(xiàn)有的檢測方式也較多，其中機械開關式松繩保護裝置是在纏繞機下方設置行程開關，鋼絲繩松弛下垂后會觸碰該開關，接通保護控制回路，該保護檢測的特點是安裝簡單、方便，但是纏繞式提升機在運行中鋼絲繩會發(fā)生左右及上下抖動容易造成開關誤動[2]；光電式松繩保護采用光電開關檢測松繩狀態(tài)，當松繩下垂時，鋼絲繩會遮擋光路，光電開關輸出狀態(tài)改變啟動松繩保護回路，但是這種開關易受粉塵、油污、光強等環(huán)境影響引起誤動作[3]。因此，針對環(huán)境因素對檢測開關造成的誤動作及工作可靠性，提出應用接近開關來檢測鋼絲繩的松弛下垂狀態(tài)，通過單片機實施監(jiān)控采集數(shù)據(jù)判斷松繩狀態(tài)來實現(xiàn)松繩保護。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示，該檢測裝置主要由兩個接近開關，光耦、獨立鍵盤、單片機控制器、輸出的聲光報警器等部件組成。通過在出繩口安裝兩個接近開關，這兩個接近開關實時檢測鋼絲繩的松弛下垂狀態(tài)，當鋼絲繩松弛有下垂時，通過安裝在鋼絲繩下面的接近開關輸出信號給單片機，單片機根據(jù)預設的延時及通過兩個接近開關讀入的檢測狀態(tài)來判斷是否發(fā)生松繩現(xiàn)象，如果經(jīng)過比較運算確定發(fā)生的是松繩而非干擾抖動，則輸出信號給上位機，同時接通提升絞車安全回路和聲光報警回路。

圖1 總體檢測方案

2 硬件電路的設計

2.1 主控制器設計

根據(jù)系統(tǒng)控制檢測要求，要實現(xiàn)鋼絲繩松弛檢測，并判斷是發(fā)生松繩還是抖動干擾信號，需要控制器來讀入接近開關輸出信號，并要通過適當小延時來判松繩狀態(tài)，由此來接通保護及報警回路，所以運算量小，輸入輸出回路少，采用小型單片機可以滿足控制系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)選用STC89C52RC單片機作為控制器的核心。芯片引腳如圖2所示，STC89C52RC是宏晶公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在線系統(tǒng)可編程Flash存儲器，性價比高[4]?？蓪崿F(xiàn)對接近開關輸出信號以及鍵盤輸入的按鍵信息有效處理。

2.2 鍵盤電路

鍵盤電路主要應用于實際運行及調試時參數(shù)的設定[5]。系統(tǒng)設置了兩個接近開關，這兩個接近開關檢測范圍不一致，并有小延時，延時參數(shù)的設置需要鍵盤輸入并根據(jù)實際情況進行調整。鍵盤與單片機接口如圖3所示，采用簡單的獨立鍵盤即能滿足使用要求。

圖2 STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)

圖3 鍵盤輸入電路

2.3 接近開關

圖4 接近開關安裝示意圖

本系統(tǒng)傳感器主要作用是檢測鋼絲繩是否發(fā)生松弛及絞繩等意外情況。根據(jù)檢測環(huán)境及鋼絲繩在礦井出繩口移動特點，選用接近開關來實現(xiàn)鋼絲繩松弛檢測，接近開關安裝在出繩口鋼絲繩下方一固定位置。工作時無需與運動的鋼絲繩直接接觸，當鋼絲繩松弛下垂靠近檢測開關感應范圍，接近開關即有開關量的輸出，本系統(tǒng)選用電容式接近開關，該開關把被測量通常構成電容器的一個極板，而另一個極板是開關的外殼。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體移向接近開關時，不論它是否為導體，當它接近時，使電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生變化，使得輸出狀態(tài)也隨之改變，這種接近開關檢測的對象，不限于導體，可以絕緣的液體或粉狀物等。且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等、并具有防水、防震、耐腐蝕等特點[6]，適用于礦井工作環(huán)境。安裝位置示意圖如圖4所示，在出繩口安裝兩個接近開關，兩個接近開關位置不同，量程不一致，松繩位置如圖所示，可以通過兩個接近開關分別判斷是屬于運行的干擾抖動現(xiàn)象還是松繩造成的下垂狀態(tài)。本系統(tǒng)選用OMRON電容式接近開關E2K-C25ME1，檢測范圍25mm，供電電壓12V～24V，輸出直流三線式，通過光耦直接和單片機IO口連接。能滿足使用要求。

3 軟件設計

主程序流程圖如圖5所示。根據(jù)實際松繩狀態(tài)的檢測過程，首先要對檢測距離等參數(shù)進行初始化，隨后單片機要掃描獨立鍵盤輸入狀態(tài)是否有參數(shù)設置及啟動操作，一旦啟動，兩個接近開關開始檢測鋼絲繩松弛下垂是否進入檢測范圍，實際運行中由于鋼絲繩會發(fā)生抖動，接近開關1安裝位置距離鋼絲繩位置較近，首先檢測到松繩信號時，可認為是抖動造成的，如果經(jīng)過小延時后鋼絲繩落入安裝較遠的接近開關2的檢測范圍，則可以判定發(fā)生了松繩，發(fā)出故障信號并停機。如果接近開關1首先檢測到信號而經(jīng)過小延時后接近開關2沒有檢測到信號，則認為是干擾，沒有發(fā)生松繩。延時大小可以經(jīng)過實際現(xiàn)場調試確定。

圖5 程序流程圖

4 結論

設計一種基于單片機的礦井松繩檢測裝置，該裝置通過接近開關實現(xiàn)松繩監(jiān)測，由單片機比較判定松繩故障，將信號提供給上位機的松繩保護裝置。測試結果表明該該裝置能夠達到松繩保護的要求，運行可靠，靈敏度高，體積較小，安裝調試維護方便，成本相對較低，可以推廣使用。