礦用柴油膠輪車安全運行檢測系統開發

王景輝

（山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 044000）

近年來，隨著煤礦科技水平不斷提高，國內煤礦在開采技術方面得到了很大的提升，也給煤礦井下輔助運輸環節提出了更高的的要求[1-2]。以經紡煤業所使用的柴油膠輪車的輔助運輸設備來說，由于柴油膠輪車所處的工作環境比較惡劣，伴隨著諸多不安全的因素，比如常見的瓦斯氣體、一氧化碳、排氣管溫度超標、尾氣溫度超標以及膠輪車發動機高溫等問題，這些都會影響膠輪車的穩定安全運行，甚至有可能引起煤礦井下安全事故造成人員傷亡[3]。為此，按照煤礦井下安全管理要求需要對煤礦膠輪車進行智能監控。通常煤礦井下柴油膠輪車運行監控主要是由工人對膠輪車進行檢測，但是在實際運行過程中對發動機以及尾氣的檢測存在盲區，無法實現實時在線檢測并及時掌握尾氣溫度等關鍵部件的溫升情況，容易引起柴油膠輪車運行事故[4-5]。目前，國內外對柴油膠輪車安全運行檢測領域的研究內容較少，更多的是集中在對膠輪車排放物和對膠輪車排放口溫度的檢測，但未提出膠輪車運行檢測的監控方案。本文通過對膠輪車安全運行檢測系統要求進行分析，提出了一套柴油膠輪車安全運行檢測的控制方案，完成了硬件系統設計和軟件系統編程，實現了對柴油膠輪車多參數動態采集與實時顯示，經現場調試和檢測試驗從而驗證了方案設計的合理性。

1 礦用柴油膠輪車安全運行檢測系統方案設計

1.1 柴油膠輪車安全檢測系統技術要求

由于柴油膠輪車所處的井下工作環境比較惡劣，伴隨著瓦斯、一氧化碳等有毒有害氣體危害，且柴油不充分燃燒最終的尾氣中會含有CH4，CO，SO2等有毒有害氣體，導致煤礦井下空氣中CH4，CO 等含量增加，所以在柴油膠輪車運行過程中需要對環境中有毒有害氣體進行防治。柴油膠輪車在實際使用過程中排氣筒以及尾氣的溫升有可能會引起爆炸，所以需要對尾氣以及排氣筒、機體的溫度進行實時監測并及時上傳到上位機監控系統，以有效避免事故的發生。綜上所述，對柴油膠輪車安全檢測系統及其監測指標提出如下控制要求：

（1）膠輪車發動機溫度≤150℃。

（2）排氣筒的表面溫度≤150℃。

（3）巷道內瓦斯濃度必須小于1%。

（4）廢氣排氣口的最大溫度不得大于77℃。

（5）發動機潤滑機油壓力不得低于0.6 MPa。

（6）膠輪車機油溫度≤125℃。

按照上述監控系統參數要求，制定出的膠輪車安全參數設定如表1 所示。

表1 膠輪車檢測項目設定值

通過對柴油膠輪車危險因素進行分析，可以按照煤礦膠輪車參數檢測項目要求，設計出礦用柴油機膠輪車檢測系統方案。

1.2 柴油膠輪車安全運行檢測系統方案設計

根據柴油膠輪車運行檢測系統功能要求，安全監控系統需要實時采集膠輪車運行中的參數信息，將參數信息與設定的保護值進行比較，當超過保護值時自動發出報警信號； 通過設計硬件系統采集環境參數以及膠輪車溫度信息，由軟件系統上傳到上位機監控系統實現對膠輪車運行狀態的實時監控和智能報警，并且通過控制電磁閥執行有關的設備保護動作。整個系統由信號采集模塊、數據處理模塊、電源模塊、通訊模塊、上位機顯示模塊等部分組成。利用傳感器檢測環境中的有毒有害氣體參數，將物理信號轉變為電信號，并將采集到的數據通過總線發送到單片機控制系統，利用軟件系統對采集到的數據進行分析和處理。當檢測到的參數值大于標定值時，將會觸發報警裝置從而執行有關的控制指令，觸發報警裝置并執行有關的控制動作，關閉電磁閥，保證柴油膠輪車的安全可靠運行。組成系統的模塊以及模塊執行功能如表2 所示。

表2 柴油膠輪車組成系統模塊及功能

系統控制流程為由單片機控制數據采集模塊對環境中的參數信息進行實時采集，并通過硬件信號調理電路對數據進行處理隨后上傳到單片機系統，根據單片機中控制程序對采集到的數據與設定值進行比較，判斷是否超過安全值，從而控制電磁閥執行有關的動作，保證柴油膠輪車的安全運行。整個檢測系統由硬件模塊與軟件控制系統組成。

2 硬件系統組成與軟件系統設計

2.1 硬件系統模塊組成

為了采集膠輪車所處煤礦井下環境參數信息并對膠輪車自身的運行情況進行數據采集，需要配置用于采集物理信號的傳感器。本次設計的膠輪車檢測系統布置傳感器有溫度傳感器、CO 傳感器、CH4傳感器、壓力傳感器以及CO2傳感器等。根據系統檢測要求以及保護值要求，采用10 路傳感器測量各自的物理信號，傳感器檢測模塊選型如表3 所示。

表3 傳感器選型與參數

如表3 所示，通過采用多種傳感器，一方面檢測柴油膠輪車關鍵部位在運行過程中的參數信號，另一方面采集環境中的物理參數，實現對柴油膠輪車的安全穩定運行工況的檢測。整個單片機控制模塊采用的核心芯片為AT89C52，將采集到的物理信號轉變為電信號并進行處理和比較。數據顯示模塊選用的是12 864 液晶顯示屏用于動態顯示信號參數。電源模塊選用車載電池24V 轉為5V 實現對單片機系統的供電，通過穩壓電路對電源電壓進行穩定。硬件系統模塊原理如圖1 所示。

圖1 硬件系統模塊原理

從上圖1 中可以看出，整個檢測系統是由傳感器以及硬件電路組成，主要電路有溫度采集電路、溫度聲光報警電路、CO 濃度采集模塊電路以及鍵盤控制電路等，各個控制電路分別連接到單片機主控電路系統中，從而實現從端到端的控制。單片機主控電路原理如圖2 所示。

圖2 單片機主控電路原理

如上圖2 所示，單片機主控電路由電源電路、復位電路和晶振電路組成。電源電路是將外部24V 電源轉變為5V 電源從而為單片機進行供電，復位電路的功能在上電時可以提供復位信號使得電源穩定，晶振電路是需要時鐘的驅動才能夠正常工作，在單片機中有大量的時鐘振蕩電路，其中的C2 和C3 電容為22 pF，石英晶振頻率為6 MHz，通過外部連接一個振蕩源可以實現在一定周期內時鐘信號的控制。

2.2 軟件系統設計

為了實現對柴油膠輪車運行過程智能檢測與判斷需要設計出軟件控制系統對采集數據與保護值進行比較判斷，觸發保護裝置。柴油膠輪車安全運行檢測系統控制流程如圖3 所示。從圖中可知，柴油膠輪車啟動之后首先進行系統自檢，確定是否正常，確認正常后正式開始運行并且實現循環檢測，當參數信息超過標準值時將會觸發聲光報警。

圖3 檢測系統運行流程

針對柴油膠輪車運行檢測系統軟件部分，采用模塊化設計理念進行自上而下的設計，并使用keil 軟件環境編寫控制系統程序，整個檢測系統主要包括主程序模塊，數據采集模塊、聲光報警子程序以及通訊系統子程序塊等部分組成。

在主程序中包含了不同的功能程序塊，通過主程序可直接對各個功能程序塊進行調用，通過判斷測定的參數值是否超過標準值，確定是否執行程序塊。系統通過初始化進行自診斷，運行正?？梢赃M行初始化，隨后對溫度、壓力以及有毒有害氣體的濃度進行循環檢測，再對信號進行處理，處理完成后判斷是否超過設定值，沒有超過設定值時將會在顯示屏上動態顯示，當超過設定值時，對異常自動生成的歷史，記錄并進行報警。在執行主程序塊時，需要對其進行設置初始化，并對定時器進行初始化、I/O 口初始化以及對參數進行配置。

3 現場應用與效果

本次完成的柴油機膠輪車監控系統于2021年6 月18 日在山西省長治經紡煤業有限公司進行現場安裝和調試，將傳感器布置在柴油膠輪車車體側方、將尾氣檢測傳感器布置在膠輪車尾氣排放管位置、將溫度傳感器安裝在柴油膠輪車柴油機身檢測其溫度變化，安裝效果如圖4（a）所示。利用無線通訊模塊建立了柴油膠輪車與上位機之間的聯系，開發了上位機監控系統界面，在實際檢測中的上位機界面，其中CO 氣體的濃度為5 ppm，尾氣溫度為71℃，機身的溫度值為110℃，如圖4（b）所示。

圖4 安全運行監控系統現場應用

整個監控系統是利用上位機軟件程序將記錄的檢測數據導出歷史記錄，對系統在運行過程中檢測值以及系統設定值進行對比，從而判斷出是否超標，最終得到柴油膠輪車安全運行檢測系統在6 個月內的運行狀態。歷史記錄中導出的監控數據如表4 所示。

表4 檢測歷史記錄

從上表中可以看出，柴油膠輪車監控系統實現了膠輪車運行工況的實時監測，并且對其是否合格進行自動判斷。當系統在啟動時參數值沒有在設定范圍內將無法滿足啟動要求，在上位機監控系統中會自動顯示。系統設定值和檢測值之間的差距基本上在保護范圍內波動，在實際運行過程中當參數值超限時將會發出警報并及時提醒維檢人員進行檢修，如果在發出警報后一日內沒有解決異常，柴油膠輪車將會自動停機，有效避免事故發生。

4 結語

針對柴油膠輪車在運行過程中檢測問題，基于柴油膠輪車在煤礦井下運行要求以及環境檢測要求，設計了一套柴油膠輪車安全運行檢測系統方案。通過在柴油膠輪車機身上搭載多種智能檢測傳感器實現對膠輪車運行工況以及自身運行狀態的實時檢測，設計了配套的軟件監控系統，利用模塊化編程思想編寫了控制系統程序。經經紡煤業有限公司現場應用表明，本次提出的這套柴油膠輪車安全運行檢測系統識別靈敏度高、能夠準確采集環境參數并智能分析，響應時間≤0.5 s，取得良好的應用效果，可以有效避免煤礦柴油膠輪車使用過程中引發事故，保證煤礦井下輔助運輸的穩定高效運行，大大節省了企業成本，具有推廣應用價值。