智能化提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

王立剛

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

近年來，隨著采煤技術(shù)、采煤工藝以及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，綜采工作面的采煤效率得到飛速的提升，進(jìn)而對綜采設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的要求。煤礦提升機(jī)為綜采工作面主要運(yùn)輸設(shè)備之一，其主要承擔(dān)將工作面人員、物料以及設(shè)備運(yùn)輸?shù)降孛娴娜蝿?wù)。提升機(jī)的安全性在一定程度上由其制動(dòng)系統(tǒng)的性能所決定。在實(shí)際生產(chǎn)中，提升機(jī)若不能在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)制動(dòng)，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，更嚴(yán)重的還會(huì)造成人員傷亡等事故[1]。為了確保提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的性能，需對其制動(dòng)器的工況參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而得出及時(shí)的故障報(bào)警信號并第一時(shí)間內(nèi)消除隱患。本文著重對智能化提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體闡述如下。

1 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的總體方案設(shè)計(jì)

提升機(jī)在實(shí)際提升任務(wù)中由于制動(dòng)器故障及性能不佳所導(dǎo)致的故障有斷繩、過卷、滑動(dòng)等。經(jīng)研究可知，造成上述事故的原因主要包括有兩種：一是制動(dòng)系統(tǒng)不能在提升任務(wù)結(jié)束時(shí)可靠地將設(shè)備制動(dòng)；二是在減速階段不能參與提升機(jī)的速度控制，不能確保提升設(shè)備的安全制動(dòng)。

本文主要以多繩摩擦式提升機(jī)為研究對象。提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，且制動(dòng)器根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式不同可分為單面閘、雙面閘、單活塞閘、雙活塞閘等。為準(zhǔn)確掌握提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，基于本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測裝置通過對閘瓦間隙、油溫、油壓、端面跳動(dòng)量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[2]。監(jiān)測裝置由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。其中，上位機(jī)的主要功能是對下位機(jī)所獲取的參數(shù)進(jìn)行讀取、分析并管理；下位機(jī)的主要功能是對提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦間隙、油溫、油壓、端面跳動(dòng)量等參數(shù)進(jìn)行采集、存儲并顯示。

1.1 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置硬件的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的工作任務(wù)和要求，為監(jiān)測裝置配置的硬件主要包括有傳感器、信號調(diào)理電路、通信模塊、計(jì)算機(jī)以及單片機(jī)等。提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置根據(jù)其模塊功能的不同可分為數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信電路模塊和輸入輸出模塊。監(jiān)測裝置的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測裝置硬件組成框圖

如圖1 所示，監(jiān)測裝置中電感、渦流、油壓、油溫等傳感器對制動(dòng)系統(tǒng)的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行采集，經(jīng)調(diào)理電路后送至單片機(jī)處理器中，并經(jīng)單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后通過顯示屏顯示輸出，通過計(jì)算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[3]。

1.2 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置軟件的總體設(shè)計(jì)方案

針對提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)，通過Keil 編程環(huán)境對下位機(jī)的軟件進(jìn)行編寫；基于LabVIEW 平臺對上位機(jī)的軟件進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲。上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的功能如下頁圖2 所示。

圖2 上位機(jī)、下位機(jī)軟件功能

如圖2 所示，下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、輸入輸出模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊的功能；上位機(jī)軟件主要完成通訊軟件、數(shù)據(jù)管理的設(shè)計(jì)，基于數(shù)據(jù)管理對提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]。

2 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)原則

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)的功能需求完成監(jiān)測裝置的硬件設(shè)計(jì)，本監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下實(shí)現(xiàn)：確保監(jiān)測裝置軟硬件的合理劃分；監(jiān)測裝置應(yīng)盡可能選用集成電路，實(shí)現(xiàn)硬件的簡化設(shè)計(jì)；監(jiān)測裝置的硬件應(yīng)根據(jù)其功能進(jìn)行分類劃分，實(shí)現(xiàn)硬件的模塊化設(shè)計(jì)；鑒于監(jiān)測裝置應(yīng)用的環(huán)境相對惡劣，要求監(jiān)測裝置具有較強(qiáng)的抗干擾性能。

2.2 監(jiān)測裝置硬件的選型

1）主控芯片的選擇。主控芯片是監(jiān)測裝置的核心，其承擔(dān)著對傳感器所采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲以及通信等功能。因此，所選型的主控芯片在保證可靠性的基礎(chǔ)上，要求其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，確保監(jiān)測裝置各項(xiàng)功能均能夠?qū)崿F(xiàn)。綜合分析，所選型的主控芯片為C8051F310 單片機(jī)，該單片機(jī)隸屬于51 系列單片機(jī)，具有極高的性價(jià)比。

2）傳感器的選型。傳感器作為監(jiān)測裝置的重要部件，其承擔(dān)著對提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。為保證所獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，要求傳感器具有較高的靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍和可靠性[5]。監(jiān)測裝置主要是對提升機(jī)制動(dòng)器閘瓦間隙、制動(dòng)油溫、制動(dòng)油壓、端面跳動(dòng)量的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，與其相匹配的傳感器及其具體參數(shù)如表1 所示。

3 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)

提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)（下位機(jī)）和PC 機(jī)（上位機(jī)）的軟件設(shè)計(jì)。其中，單片機(jī)的軟件基于C 語言進(jìn)行編寫；PC 機(jī)的軟件采用LabVIEW 進(jìn)行編寫。下位機(jī)主要功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、通信以及輸出輸入；上位機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和管理。

表1 監(jiān)測裝置傳感器及具體參數(shù)

3.1 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測裝置上位機(jī)軟件的功能要求，為上位機(jī)設(shè)計(jì)如圖3 所示的軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

如圖3 所示，上位機(jī)軟件采用LabvIEW 平臺進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，根據(jù)上位機(jī)的功能要求設(shè)計(jì)5 個(gè)VI 結(jié)構(gòu)，并對每個(gè)VI 下的子功能軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要包括有應(yīng)用程序的流程設(shè)計(jì)和程序代碼的調(diào)試。根據(jù)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的功能要求，為下位機(jī)設(shè)計(jì)兩種工作方式。其中，基于方式1 通過上位機(jī)和下位機(jī)的聯(lián)機(jī)工作實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的采集；基于方式2 僅通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的采集。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 下位機(jī)軟件流程圖

4 結(jié)語

提升機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其安全性和可靠性直接決定綜采工作面煤炭的生產(chǎn)效率和作業(yè)人員的安全。制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)是反應(yīng)提升機(jī)安全性和可靠性的關(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)中由于無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)致提升機(jī)運(yùn)行存在極大的安全隱患。為此，基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測裝置，并基于LabVIEW 和C語言環(huán)境設(shè)計(jì)了上位機(jī)和下位機(jī)的軟件。