基于無(wú)線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉鵬,謝麗君,陳享姿

(長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410217)

0 引言

剛性罐道狀態(tài)好壞直接關(guān)系到提升作業(yè)能否正常進(jìn)行。當(dāng)剛性罐道系統(tǒng)發(fā)生程度較小的故障時(shí),會(huì)在提升容器上激發(fā)異常振動(dòng);而故障程度較大時(shí),甚至可能引發(fā)重大安全事故。如在提升容器上行過(guò)程中,嚴(yán)重的罐道故障使得罐耳無(wú)法通行,導(dǎo)致容器被卡在井筒中,發(fā)生卡罐事故,如果此時(shí)提升機(jī)沒有緊急制動(dòng),鋼絲繩繼續(xù)卷繞,則會(huì)超過(guò)其破斷拉力而引發(fā)斷繩事故,容器因失去牽引力而墜落,發(fā)生墜罐事故。剛性罐道局部或整體的磨損會(huì)造成罐籠停罐后與剛性罐道之間的距離不斷變大,致使礦車進(jìn)出罐籠時(shí),罐籠的晃動(dòng)量及擺動(dòng)量增加,進(jìn)而導(dǎo)致罐籠內(nèi)礦車脫軌事故增加,雙面自動(dòng)進(jìn)出車搖臺(tái)受損,維修頻率縮短,增加工程人員的維修量等。

由于罐道工作環(huán)境的特殊性,在罐道故障發(fā)展到一定程度之前,很難發(fā)現(xiàn)故障的一些表面特征。而且由于缺乏可操作性強(qiáng)的判別標(biāo)準(zhǔn),對(duì)故障的發(fā)展趨勢(shì)不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè),這種潛在的安全隱患可能造成煤礦提升設(shè)備的嚴(yán)重故障。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在罐道使用過(guò)程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患、故障,保證提升系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行[1]。

剛性罐道由若干根導(dǎo)軌通過(guò)罐道梁相互剛性地連接在一起,沿井筒的全深度鋪設(shè)。剛性罐道的截面是空心矩形,一般由槽鋼焊接而成,主要優(yōu)點(diǎn)是側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度大,罐道剛性強(qiáng)。由于剛性罐道在一定程度上克服了柔性罐道的不足,減小井筒斷面的同時(shí),能夠滿足深井高速重載的要求,因此,剛性罐道在井筒裝備中應(yīng)用比較廣泛。

1 整體結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用激光位移傳感器測(cè)量?jī)蓚?cè)罐道之間的距離;利用加速度傳感器的數(shù)據(jù)分析罐籠的振動(dòng)信息,判斷罐道運(yùn)行狀態(tài);通過(guò)視頻信號(hào)檢測(cè)罐道工況,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集裝置測(cè)試

由圖1可知,在測(cè)量過(guò)程中設(shè)備將會(huì)隨罐籠上下運(yùn)動(dòng),在提升或者下降時(shí),加速度傳感器分別測(cè)量x、y、z3個(gè)方向的加速度變化情況,了解提升容器在3個(gè)方向的振動(dòng)情況;激光位移傳感器則分別測(cè)量罐道與提升容器之間、提升容器兩側(cè)罐道之間距離變化。根據(jù)視頻攝像頭實(shí)時(shí)傳送的視頻畫面觀測(cè)罐道的實(shí)際情況。對(duì)于在井筒中罐籠位置的確定,采用霍爾傳感器測(cè)量井筒的深度,通過(guò)不斷地監(jiān)測(cè)霍爾傳感器的脈沖,可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)罐籠位置的監(jiān)測(cè),為判斷罐道故障信息提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在井口處安裝2個(gè)礦用本安型磁性接近開關(guān),通過(guò)監(jiān)測(cè)開關(guān)的信號(hào)判斷罐籠是否達(dá)到指定的位置[2]。

采集多種傳感器數(shù)據(jù),使用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去,井口的無(wú)線接收裝置接收無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào),然后通過(guò)礦用網(wǎng)線傳輸至上位機(jī)。絞車房?jī)?nèi)的上位機(jī)根據(jù)各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐道間距數(shù)值和加速度數(shù)值的變化,并根據(jù)間距數(shù)值、加速度數(shù)值以及罐籠行程信號(hào)判斷罐道在某個(gè)位置的實(shí)際情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)傾斜、磨損、彎曲等故障時(shí)會(huì)發(fā)出故障燈、語(yǔ)音報(bào)警等信號(hào),并在必要時(shí)切斷安全回路,將報(bào)警數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫(kù)以備查詢。

井口無(wú)線接收裝置由井上供電,數(shù)據(jù)通信采取布礦用網(wǎng)線接口方式通信。依據(jù)礦井中罐道檢測(cè)的常用方法,對(duì)每一個(gè)罐籠的罐道分別進(jìn)行檢測(cè)。因此,采用單罐籠檢測(cè)的設(shè)計(jì)方法,在其中一個(gè)罐籠檢測(cè)完畢之后,可以將設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一個(gè)罐籠上,進(jìn)行定位測(cè)量。

2 罐道在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳輸?shù)膭傂怨薜涝诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由傳感器、數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置、無(wú)線接收裝置、罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置、視頻解碼器等組成[3-5]。

2.1 測(cè)距傳感器

采用罐籠運(yùn)行過(guò)程中對(duì)罐道間距進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。接觸式測(cè)距在靜態(tài)測(cè)量中使用性能較好,但對(duì)于罐道間距監(jiān)測(cè)這種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合,其性能并不能滿足實(shí)際要求,因此,選用非接觸式的測(cè)距傳感器——激光測(cè)距傳感器,其有以下特點(diǎn):(1)激光波長(zhǎng)單一、精度高,且儀器結(jié)構(gòu)較小;(2)激光方向性較好、垂直性較好;(3)非接觸式測(cè)量、速度快、抗光電干擾能力強(qiáng);(4)抗噪聲能力強(qiáng)、信噪比高。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器是將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器,可用于慣性力、沖擊力及振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。當(dāng)罐道某部位發(fā)生變形等故障時(shí),提升容器運(yùn)行到故障位置時(shí),加速度信號(hào)可以反映罐道整體以及某個(gè)位置的運(yùn)行情況。由3個(gè)方向慣性加速度傳感器組成的3軸加速度傳感器,適用于煤礦井筒惡劣的環(huán)境。

2.3 攝像頭

攝像頭可分為模擬攝像頭和數(shù)字?jǐn)z像頭。模擬攝像頭是將捕捉到的圖像信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出,但是計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字信號(hào),因此模擬攝像頭通常都有一個(gè)視頻采集設(shè)備,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),并經(jīng)過(guò)壓縮后應(yīng)用到計(jì)算機(jī)中。數(shù)字?jǐn)z像頭內(nèi)部有轉(zhuǎn)換裝置,直接輸出數(shù)字信號(hào)與計(jì)算機(jī)相連接[6]。

在實(shí)際使用中,由于煤礦井筒環(huán)境惡劣,當(dāng)罐籠運(yùn)行到井筒中部時(shí),沒有照明設(shè)備,周圍環(huán)境非常陰暗,使用普通的攝像頭滿足不了實(shí)際情況的要求,因此需要選用具有紅外功能的攝像頭,這樣就可以在黑暗的條件下仍能觀察到物體,同時(shí)由于紅外攝像頭工作環(huán)境的特殊性,在選型時(shí)必須選擇防爆的紅外攝像頭。

2.4 數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置

數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換結(jié)果打包并和上位機(jī)進(jìn)行通信,發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置主要由以下4部分組成[7-8]。

2.4.1 供電電源

數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置位于提升容器上,所以供電電源必須為移動(dòng)電源,要有較大容量、較小重量且安全可靠。對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō),衡量其性能的基本參數(shù)主要有:電池容量、額定電壓、能量、記憶效應(yīng)、工作溫度、環(huán)境適用性等。經(jīng)過(guò)比較分析,同時(shí)嚴(yán)格按照國(guó)家煤炭標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電池的要求,選擇30 AH、12 V的鎳氫電池,其優(yōu)點(diǎn)是:耐過(guò)充過(guò)放、高速放電能力強(qiáng)、使用安全、價(jià)格相對(duì)便宜、功率密度大、無(wú)記憶特性。

2.4.2 穩(wěn)壓電路

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器的需要,設(shè)計(jì)不同電壓等級(jí)的多路隔離電源電路,如12 V、5 V等;同時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換芯片等元器件的工作電壓等級(jí)為3.3 V。考慮到使用一個(gè)電源模塊,可能由于電路中其他元件的電源波動(dòng),造成A/D和單片機(jī)工作不穩(wěn)定,從而引起測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,因此采用為微控制器進(jìn)行單獨(dú)供電的方式,保證電源的穩(wěn)定可靠。

2.4.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路以微控制器STM32芯片為核心,STM32芯片驅(qū)動(dòng)多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1148對(duì)2路位移傳感器信號(hào)和供電電池電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式傳送至其他處理模塊。

2.4.4 數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置程序設(shè)計(jì)

位移、加速度等數(shù)據(jù)由微控制器進(jìn)行采集,在對(duì)采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)處理后,微控制器將最終的數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到無(wú)線發(fā)射模塊,與上位機(jī)進(jìn)行通信。

微控制器上電后對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行初始化,等待上位機(jī)發(fā)送命令,當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后,程序進(jìn)入串口接收中斷服務(wù)子程序,確認(rèn)接收到的數(shù)據(jù)為“數(shù)據(jù)發(fā)送命令”后,驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1148連續(xù)循環(huán)采集各傳感器信號(hào)和供電模塊的電壓信號(hào)。程序采用平均值濾波算法,得到要發(fā)送的采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行串口發(fā)送,發(fā)送完成退出中斷服務(wù)子程序。采用平均值濾波算法可以去除在采集過(guò)程中隨機(jī)信號(hào)的干擾,從而使測(cè)量結(jié)果更加可靠。

2.5 無(wú)線接收裝置

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置安裝于井口。數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置主要是將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線調(diào)制技術(shù),將信號(hào)通過(guò)無(wú)線電波發(fā)射出去。無(wú)線接收裝置接收無(wú)線信號(hào)并通過(guò)礦用網(wǎng)線通信方式將信號(hào)傳輸至上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集裝置安裝在移動(dòng)的罐籠上,由電源箱作為供電電源。為降低電源箱功耗,在罐籠到達(dá)頂部或底部等特殊位置時(shí),上位機(jī)發(fā)送設(shè)置指令,使數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)的單片機(jī)和無(wú)線通信模塊分別進(jìn)入睡眠模式,降低電量消耗。在需要采集數(shù)據(jù)時(shí),使單片機(jī)和無(wú)線通信模塊退出睡眠模式,正常工作。

2.6 罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置

2.6.1 罐籠平位信號(hào)監(jiān)測(cè)

罐籠平位信號(hào),即罐籠到達(dá)設(shè)置停止提升位置的開關(guān)量信號(hào)。由于每臺(tái)提升機(jī)配備2個(gè)罐籠,所以罐籠平位信號(hào)為2路開關(guān)量信號(hào),采用磁性接近開關(guān)進(jìn)行測(cè)量。磁性接近開關(guān)主要由2部分構(gòu)成:接近開關(guān)探頭和磁鋼,其中磁鋼安裝在罐籠側(cè)面的適當(dāng)位置,隨罐籠一起在井筒中運(yùn)動(dòng);接近開關(guān)探頭安裝在井口,需要進(jìn)行多次測(cè)試,以保證接近開關(guān)探頭和磁鋼配合的位置在每次罐籠到位的時(shí)候均能夠?qū)?zhǔn)。

2.6.2 井中罐籠位置信號(hào)監(jiān)測(cè)

在提升機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)附近的高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,沿著圓周方向安裝一圈特制的磁鋼,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的徑向方向安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器探頭。當(dāng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),磁鋼和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器相互配合,利用罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到大量的脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)罐籠在井筒中位置的監(jiān)測(cè)。在提升機(jī)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,不僅可以通過(guò)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)獲得滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù),進(jìn)而計(jì)算罐籠的實(shí)時(shí)行程,同時(shí)也可以通過(guò)脈沖判斷滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向,從而確定滾筒的正、反轉(zhuǎn)?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高,輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸和處理。

2.6.3 罐籠行程監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置以微控制器STM32為核心,采集罐籠到位信號(hào)和罐籠井中位置信號(hào),與上位機(jī)進(jìn)行通信,將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。此外,罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置還能根據(jù)上位機(jī)的指令控制輸出繼電器閉合。罐籠到位信號(hào)頻率較低,監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單,通過(guò)查詢方式即可實(shí)現(xiàn)。罐籠井中位置信號(hào)最高頻率為100 kHz,通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器脈沖信號(hào)的監(jiān)測(cè),脈沖電平的變化將觸發(fā)計(jì)數(shù)器的外部中斷,從而對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

基于無(wú)線傳輸?shù)墓薜涝诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件分為系統(tǒng)管理、在線監(jiān)測(cè)、信號(hào)分析、監(jiān)控中心4個(gè)部分,軟件系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合剛性罐道的典型故障,考慮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境,基于STM32微處理器,本文設(shè)計(jì)了無(wú)線傳輸罐道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)無(wú)線傳輸罐道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,對(duì)系統(tǒng)軟、硬件的功能與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì),滿足礦井剛性罐道故障監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求,為無(wú)線技術(shù)在礦井中的應(yīng)用提供了借鑒。