礦井提升機(jī)閘瓦間隙監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

卜沁文，曲翰林，楊磊，張子涵

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

煤炭是人們?nèi)粘Ｉ钪兴枘茉吹闹匾M成部分和工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料，作為重要的一次能源之一，其開(kāi)采消費(fèi)需求量巨大。2020年全國(guó)煤炭消費(fèi)量40.4 億噸，占一次能源消費(fèi)的57%左右，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。同時(shí)作為礦山的重要設(shè)備，礦井提升機(jī)是地下礦井與外界的唯一通道，一旦發(fā)生故障，對(duì)人員和經(jīng)濟(jì)的傷害是不可估量的。

其中，閘瓦間隙是該裝置制動(dòng)系統(tǒng)中尤其關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，對(duì)確保其制動(dòng)安全起重要影響。閘瓦間隙超出一定范圍，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)提升機(jī)的剎車(chē)能力大幅下降，以至于停車(chē)不及時(shí)或者不可靠，導(dǎo)致過(guò)卷。同時(shí)，如果閘瓦間隙低于一定數(shù)值，又會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的制動(dòng)力，以至于緊急制動(dòng)減速度超出正常范圍，一方面加大了設(shè)備的制動(dòng)載荷，一方面也容易影響乘坐人員。

考慮到提升機(jī)常常用于運(yùn)輸人員物資，狀態(tài)不斷地發(fā)生變化，影響制動(dòng)的相關(guān)參數(shù)一直處于動(dòng)態(tài)變化中。因而當(dāng)制動(dòng)參數(shù)的變化范圍大于安全范圍時(shí)，極易發(fā)生危險(xiǎn)事故，導(dǎo)致難以承受的后果。所以，設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)備，盡力降低事故的發(fā)生可能性非常重要。

所以，在《煤礦安全規(guī)程》中要求盤(pán)形閘的閘瓦與閘盤(pán)之間的間隙不得超過(guò)2 mm，同時(shí)一旦超出規(guī)定數(shù)值（2 mm）時(shí)，提升機(jī)必備的閘瓦間隙保護(hù)裝置會(huì)發(fā)生自動(dòng)報(bào)警或者自動(dòng)斷電。

因此，為保障提升機(jī)安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該設(shè)備閘瓦間隙數(shù)值的裝置尤為關(guān)鍵。

1 系統(tǒng)原理分析

1.1 盤(pán)式制動(dòng)器閘瓦

如圖1所示，盤(pán)式制動(dòng)器是通過(guò)液壓來(lái)松閘，利用碟形彈簧的彈簧力來(lái)制動(dòng)。當(dāng)油壓升高時(shí)，彈簧受到擠壓產(chǎn)生形變，以達(dá)到松閘的效果。相反，當(dāng)油壓值逐漸減小時(shí)，彈簧逐漸恢復(fù)原本的形變，推動(dòng)活塞，以產(chǎn)生制動(dòng)力，達(dá)到礦井提升機(jī)的制動(dòng)效果。要讓制動(dòng)盤(pán)不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大發(fā)生形變或損壞，本系統(tǒng)選擇帶有兩個(gè)制動(dòng)盤(pán)的制動(dòng)器，能夠有效地減少此種情況發(fā)生的概率。

圖1 盤(pán)式制動(dòng)器閘瓦

該原理的優(yōu)勢(shì)主要是，碟形彈簧具有低行程、高補(bǔ)償力的特性，即使經(jīng)過(guò)多次形變后仍能基本保持原形狀，能夠很好地保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，相對(duì)于彈簧的拉伸形變，受壓形變更不容易影響彈簧的效果，這樣能夠很好地延長(zhǎng)碟形彈簧的使用時(shí)間并且使提升機(jī)更為安全和可靠，減少事故的發(fā)生概率。

1.2 閘瓦間隙測(cè)量方法

本文設(shè)計(jì)的裝置是使用電渦流位移傳感器測(cè)量閘瓦間隙，電渦流傳感器能夠較為精確地測(cè)量出所需要監(jiān)測(cè)的距離?？紤]到油缸不隨閘盤(pán)運(yùn)動(dòng)，電渦流傳感器被固定于此外側(cè)，用于檢測(cè)電渦流傳感器與閘瓦間距離。如圖2所示，1 為閘盤(pán)，2 為電渦流傳感器，3 為制動(dòng)器油缸，4 為閘瓦摩擦片。

圖2 位移傳感器測(cè)量閘瓦

一方面，在提升機(jī)抱閘的時(shí)候，該裝置會(huì)記錄每個(gè)傳感器與閘瓦摩擦片的初始距離存于EEPROM。電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM 具有掉電不丟失的特性，在不通電或斷電的情況下仍能夠記錄的距離，這樣有利于數(shù)據(jù)的保存。另一方面，當(dāng)油壓升高時(shí)，油壓力推動(dòng)活塞壓縮碟形彈簧，提升機(jī)松閘，閘瓦向原理閘盤(pán)方向移動(dòng)，記錄此時(shí)傳感器與摩擦片的距離，記錄數(shù)據(jù)為，通過(guò)計(jì)算差值即可獲得閘瓦間隙：=-。由于《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)閘瓦間隙的精度要求很高，而該裝置則能夠精確地監(jiān)測(cè)閘瓦間隙且具有較好的實(shí)時(shí)性，能夠有效地防止由于閘瓦間隙過(guò)大造成的礦井安全事故。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能需求

監(jiān)測(cè)功能：系統(tǒng)須具備各種傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，共需監(jiān)測(cè)16 路的提升機(jī)盤(pán)型閘瓦間隙、2 路的閘盤(pán)偏擺和1 路的制動(dòng)系統(tǒng)油壓。

顯示功能：系統(tǒng)選用低功耗液晶屏顯示參數(shù)，將傳感器測(cè)得的閘間隙值、偏擺值、液壓值實(shí)時(shí)傳輸至顯示屏。

參數(shù)設(shè)置：報(bào)警閘瓦間隙默認(rèn)設(shè)置為2 mm，同時(shí)考慮到實(shí)際使用要求，用戶(hù)可自行設(shè)置油壓值，報(bào)警臨界間隙值等參數(shù)，使系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

報(bào)警功能：系統(tǒng)設(shè)置了聲光報(bào)警功能，傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)超過(guò)限度或發(fā)生其他異常時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)異常，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

通信功能：系統(tǒng)須具備穩(wěn)定可靠的通信功能，以保證隨時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，讓系統(tǒng)用戶(hù)實(shí)時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：為方便系統(tǒng)報(bào)警提升機(jī)停運(yùn)后，用戶(hù)能對(duì)事故原因分析有可靠的數(shù)據(jù)支持，須能存儲(chǔ)故障信息。

其他功能：遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢(xún)等。

2.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3所示。該設(shè)計(jì)采用位移傳感器和壓力變送器分別測(cè)量提升機(jī)閘瓦間隙、閘盤(pán)偏擺和制動(dòng)油壓。然后，測(cè)量所得位移信號(hào)和壓力信號(hào)經(jīng)由電壓跟隨器送入32 選1 開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)的輸出端再與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，以將模擬量轉(zhuǎn)換為微控制器可處理的數(shù)字量。同時(shí)，微控制器將通過(guò)32 選1 開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，得到精確度較高的位移和壓力數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)，計(jì)算得出間隙、偏擺和油壓具體數(shù)據(jù)。為了可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警的作用，該設(shè)計(jì)將所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用液晶屏實(shí)時(shí)顯示并通過(guò)CAN總線(xiàn)接上傳給上位機(jī)，然后將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與設(shè)定報(bào)警值做比較。一旦滿(mǎn)足報(bào)警條件時(shí)，就啟用聲光報(bào)警系統(tǒng)以達(dá)到報(bào)警和停止提升機(jī)運(yùn)行的作用，同時(shí)將故障相關(guān)情況存儲(chǔ)到EEPROM。

圖3 總體設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的提升機(jī)閘瓦間隙防護(hù)裝置使用的微控制器是基于ARM Cortex-M3 的微控制器LPC1752。該微控制器的外設(shè)組件有64 KB 的flash 存儲(chǔ)器、16 KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、USB 主機(jī)端口、四個(gè)UART、一個(gè)CAN 控制器、二個(gè)SSP控制器、SPI 端口、二個(gè)I2C 端口、六信道的十二位ADC、十位DAC、電源控制PWM、四個(gè)通用定時(shí)器，帶獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC 和超五十個(gè)的通用I/O 管腳等，使得LPC1752 芯片在使用中更為穩(wěn)定可靠，因而多使用于工業(yè)控制領(lǐng)域。同時(shí)，該芯片采用單個(gè)3.3 V 電源，溫度范圍為-40到85 攝氏度，可在高達(dá)100 MHz 的頻率下運(yùn)行，并包含一個(gè)支持八個(gè)區(qū)的存儲(chǔ)器保護(hù)單元，內(nèi)置了嵌套的向量中斷控制器（NVIC）。系統(tǒng)特性如表1所示。

表1 微控制器系統(tǒng)特性

3.2 數(shù)據(jù)采集

3.2.1 電渦流位移傳感器

本系統(tǒng)選用渦流位移傳感器實(shí)時(shí)采集閘瓦間隙、閘瓦偏擺的數(shù)值，電渦流位移傳感器是0～20 mA 模擬量輸出，該特性便于遠(yuǎn)距離傳輸。位移傳感器基本特性如表2所示。

表2 位移傳感器基本特性

3.2.2 陶瓷壓力變送器

本系統(tǒng)選用陶瓷壓力變送器采集制動(dòng)油壓的數(shù)值。該傳感器精度高達(dá)±1%，保證了監(jiān)測(cè)效果。壓力傳感器的基本特性如表3所示。

表3 壓力傳感器基本特性

3.2.3 電壓跟隨器

本系統(tǒng)在傳感器的輸出端加設(shè)了運(yùn)算放大器AD8605 作為電壓跟隨器。電壓跟隨器具有輸入阻抗無(wú)限大，輸出阻抗接近于零的特性，以達(dá)到緩沖、隔離的效果，從而提高識(shí)別精度、穩(wěn)定輸入信號(hào)。同時(shí)，AD8605 還具有開(kāi)環(huán)增益高、補(bǔ)償電壓低等特性。

3.2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器采用單供電電源，具有電荷再分配、16 bits 的分辨率、250 ksps 的轉(zhuǎn)換速率以及0.7～3.2 us 轉(zhuǎn)換時(shí)間等特性，接線(xiàn)采用三線(xiàn)串行的方式，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊和人機(jī)交流模塊

3.3.1 CAN 總線(xiàn)接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇MCU 自帶一路支持CAN2.0B 的CAN 控制器，這樣，要實(shí)現(xiàn)CAN 總線(xiàn)通信只需配置一個(gè)CAN收發(fā)器。CAN 報(bào)文經(jīng)過(guò)MCU 的CAN 控制器送入CTM-8251AT，傳輸線(xiàn)上設(shè)計(jì)TVS 管實(shí)現(xiàn)過(guò)壓和脈沖干擾，共模扼流圈B82793 濾除電磁干擾，用不同匹配電阻實(shí)現(xiàn)不同傳輸距離。

3.3.2 液晶屏電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RS-232 接口連接DGUS 屏MT80600T080_07WT，由于RS-232 具有負(fù)邏輯的邏輯電壓，要通過(guò)微控制器實(shí)現(xiàn)RS-232 協(xié)議通信，則需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，其中轉(zhuǎn)換芯片選用MAX3232 芯片，用以實(shí)現(xiàn)LPC1752 控制液晶屏和ISP 的功能，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 液晶屏電路設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)運(yùn)用keil uVision5 平臺(tái)以c 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)程序。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，先設(shè)計(jì)出主函數(shù)，然后再根據(jù)所分成的四項(xiàng)重要功能模組——數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機(jī)交互模塊來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)函數(shù)。同時(shí)對(duì)四個(gè)模塊分別地進(jìn)行研究，匹配對(duì)應(yīng)的硬件資源，然后再依據(jù)不同功能相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，定義了各模塊的MCU 的外圍部分，其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)16 路提升機(jī)閘瓦間隙，2 路閘盤(pán)偏擺和1 路制動(dòng)油壓數(shù)據(jù)的采集，主要涉及三個(gè)硬件模塊：定時(shí)器模塊、ADC7685 模塊和32 選1 開(kāi)關(guān)ADG732 模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊則依靠EEPROM，以及CAT1023 和CAT24C256 來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)值（CAT1023 用來(lái)保存用戶(hù)輸入的參數(shù)值，CAT24C256 用來(lái)保存錯(cuò)誤文件）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊涉及I2C 驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)向上位機(jī)發(fā)送提升機(jī)閘瓦間隙、閘瓦磨損、閘盤(pán)偏擺和制動(dòng)油壓值。則主要涉及CAN 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，UART 以及Iport-1 的配置。人機(jī)交互模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與用戶(hù)之間方便通信，例如提供監(jiān)測(cè)信息、頁(yè)面切換、報(bào)警等，主要涉及相關(guān)警報(bào)、鍵盤(pán)、液晶屏的相關(guān)驅(qū)動(dòng)。

4.2 軟件主流程設(shè)計(jì)

本裝置的軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

主程序開(kāi)始后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括IO 口初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、A/D 轉(zhuǎn)換器初始化、CAN 初始化等，通過(guò)32 選1 開(kāi)關(guān)分時(shí)實(shí)時(shí)采集16 路間隙傳感器、2 路偏擺傳感器和1 路油壓傳感器，經(jīng)AD7685 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)送液晶屏實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)CAN 總線(xiàn)上報(bào)給上位機(jī)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行超限判斷，如超限發(fā)出聲光報(bào)警，并將故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM，供查詢(xún)。

5 結(jié) 論

論文主要研究礦井提升機(jī)的盤(pán)式制動(dòng)器，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，以控制系統(tǒng)所需功能為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，研發(fā)了一款針對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器間隙的提升機(jī)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置可達(dá)到對(duì)提升機(jī)閘瓦間隙、閘盤(pán)偏擺和制動(dòng)油壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能、監(jiān)測(cè)數(shù)值顯示功能、聲光報(bào)警功能和故障記錄的存儲(chǔ)和查詢(xún)功能，從而減少了提升機(jī)故障所引起危害和煤礦對(duì)提升機(jī)維修的不必要的開(kāi)支。最后，應(yīng)用CAN 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控。

提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)極為復(fù)雜且急需創(chuàng)新的工程，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)裝置仍然存在很多亟待研究的部分。一方面，難以無(wú)法用實(shí)驗(yàn)結(jié)果衡量真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性；另一方面，本裝置中配置了CAN 總線(xiàn)接口，但是具體通信格式仍然需要實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的參考。