基于無線傳輸的剛性罐道在線監測系統設計

陳曉鵬,謝麗君,陳享姿

(長沙職業技術學院 汽車工程學院,湖南 長沙 410217)

0 引言

剛性罐道狀態好壞直接關系到提升作業能否正常進行。當剛性罐道系統發生程度較小的故障時,會在提升容器上激發異常振動;而故障程度較大時,甚至可能引發重大安全事故。如在提升容器上行過程中,嚴重的罐道故障使得罐耳無法通行,導致容器被卡在井筒中,發生卡罐事故,如果此時提升機沒有緊急制動,鋼絲繩繼續卷繞,則會超過其破斷拉力而引發斷繩事故,容器因失去牽引力而墜落,發生墜罐事故。剛性罐道局部或整體的磨損會造成罐籠停罐后與剛性罐道之間的距離不斷變大,致使礦車進出罐籠時,罐籠的晃動量及擺動量增加,進而導致罐籠內礦車脫軌事故增加,雙面自動進出車搖臺受損,維修頻率縮短,增加工程人員的維修量等。

由于罐道工作環境的特殊性,在罐道故障發展到一定程度之前,很難發現故障的一些表面特征。而且由于缺乏可操作性強的判別標準,對故障的發展趨勢不能準確預測,這種潛在的安全隱患可能造成煤礦提升設備的嚴重故障。因此,本文設計了一種基于無線傳輸的剛性罐道在線監測系統,在罐道使用過程中能夠及時發現潛在隱患、故障,保證提升系統安全、穩定地運行[1]。

剛性罐道由若干根導軌通過罐道梁相互剛性地連接在一起,沿井筒的全深度鋪設。剛性罐道的截面是空心矩形,一般由槽鋼焊接而成,主要優點是側向彎曲和扭轉強度大,罐道剛性強。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,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用比較廣泛。

1 整體結構

在線監測系統使用激光位移傳感器測量兩側罐道之間的距離;利用加速度傳感器的數據分析罐籠的振動信息,判斷罐道運行狀態;通過視頻信號檢測罐道工況,整體結構如圖1所示。

圖1 采集裝置測試

由圖1可知,在測量過程中設備將會隨罐籠上下運動,在提升或者下降時,加速度傳感器分別測量x、y、z3個方向的加速度變化情況,了解提升容器在3個方向的振動情況;激光位移傳感器則分別測量罐道與提升容器之間、提升容器兩側罐道之間距離變化。根據視頻攝像頭實時傳送的視頻畫面觀測罐道的實際情況。對于在井筒中罐籠位置的確定,采用霍爾傳感器測量井筒的深度,通過不斷地監測霍爾傳感器的脈沖,可以準確實現罐籠位置的監測,為判斷罐道故障信息提供數據基礎。在井口處安裝2個礦用本安型磁性接近開關,通過監測開關的信號判斷罐籠是否達到指定的位置[2]。

采集多種傳感器數據,使用微控制器進行數據處理,通過無線通信模塊將數據發送出去,井口的無線接收裝置接收無線數據信號,然后通過礦用網線傳輸至上位機。絞車房內的上位機根據各個傳感器采集的數據,實時監測罐道間距數值和加速度數值的變化,并根據間距數值、加速度數值以及罐籠行程信號判斷罐道在某個位置的實際情況。當監測系統發現傾斜、磨損、彎曲等故障時會發出故障燈、語音報警等信號,并在必要時切斷安全回路,將報警數據載入數據庫以備查詢。

井口無線接收裝置由井上供電,數據通信采取布礦用網線接口方式通信。依據礦井中罐道檢測的常用方法,對每一個罐籠的罐道分別進行檢測。因此,采用單罐籠檢測的設計方法,在其中一個罐籠檢測完畢之后,可以將設備轉移到另一個罐籠上,進行定位測量。

2 罐道在線監測裝置設計

基于無線傳輸的剛性罐道在線監測系統硬件由傳感器、數據采集發射裝置、無線接收裝置、罐籠行程監測裝置、視頻解碼器等組成[3-5]。

2.1 測距傳感器

采用罐籠運行過程中對罐道間距進行監測的方法。接觸式測距在靜態測量中使用性能較好,但對于罐道間距監測這種動態監測場合,其性能并不能滿足實際要求,因此,選用非接觸式的測距傳感器——激光測距傳感器,其有以下特點:(1)激光波長單一、精度高,且儀器結構較小;(2)激光方向性較好、垂直性較好;(3)非接觸式測量、速度快、抗光電干擾能力強;(4)抗噪聲能力強、信噪比高。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器是將加速度轉換為電信號的傳感器,可用于慣性力、沖擊力及振動等參數的測量。當罐道某部位發生變形等故障時,提升容器運行到故障位置時,加速度信號可以反映罐道整體以及某個位置的運行情況。由3個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境。

2.3 攝像頭

攝像頭可分為模擬攝像頭和數字攝像頭。模擬攝像頭是將捕捉到的圖像信息轉換成模擬信號輸出,但是計算機只能識別數字信號,因此模擬攝像頭通常都有一個視頻采集設備,將模擬信號轉換為計算機可識別的數字信號,并經過壓縮后應用到計算機中。數字攝像頭內部有轉換裝置,直接輸出數字信號與計算機相連接[6]。

在實際使用中,由于煤礦井筒環境惡劣,當罐籠運行到井筒中部時,沒有照明設備,周圍環境非常陰暗,使用普通的攝像頭滿足不了實際情況的要求,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,同時由于紅外攝像頭工作環境的特殊性,在選型時必須選擇防爆的紅外攝像頭。

2.4 數據采集發射裝置

數據采集發射裝置實時采集傳感器數據并進行A/D轉換,將轉換結果打包并和上位機進行通信,發送傳感器數據包。數據采集發射裝置主要由以下4部分組成[7-8]。

2.4.1 供電電源

數據采集發射裝置位于提升容器上,所以供電電源必須為移動電源,要有較大容量、較小重量且安全可靠。對于蓄電池來說,衡量其性能的基本參數主要有:電池容量、額定電壓、能量、記憶效應、工作溫度、環境適用性等。經過比較分析,同時嚴格按照國家煤炭標準中對電池的要求,選擇30 AH、12 V的鎳氫電池,其優點是:耐過充過放、高速放電能力強、使用安全、價格相對便宜、功率密度大、無記憶特性。

2.4.2 穩壓電路

根據數據采集系統傳感器的需要,設計不同電壓等級的多路隔離電源電路,如12 V、5 V等;同時,數據采集系統中的單片機、A/D轉換芯片等元器件的工作電壓等級為3.3 V?？紤]到使用一個電源模塊,可能由于電路中其他元件的電源波動,造成A/D和單片機工作不穩定,從而引起測量結果不準確,因此采用為微控制器進行單獨供電的方式,保證電源的穩定可靠。

2.4.3 數據采集電路

數據采集電路以微控制器STM32芯片為核心,STM32芯片驅動多通道模數轉換器MAX1148對2路位移傳感器信號和供電電池電壓進行A/D轉換,將轉換結果通過無線方式傳送至其他處理模塊。

2.4.4 數據采集發射裝置程序設計

位移、加速度等數據由微控制器進行采集,在對采集數據結果進行適當處理后,微控制器將最終的數據打包并發送到無線發射模塊,與上位機進行通信。

微控制器上電后對硬件參數進行初始化,等待上位機發送命令,當接收到數據后,程序進入串口接收中斷服務子程序,確認接收到的數據為“數據發送命令”后,驅動模數轉換器MAX1148連續循環采集各傳感器信號和供電模塊的電壓信號。程序采用平均值濾波算法,得到要發送的采集數據并進行串口發送,發送完成退出中斷服務子程序。采用平均值濾波算法可以去除在采集過程中隨機信號的干擾,從而使測量結果更加可靠。

2.5 無線接收裝置

在線監測系統設計了一個無線數據接收裝置安裝于井口。數據采集發射裝置主要是將采集的數據通過無線調制技術,將信號通過無線電波發射出去。無線接收裝置接收無線信號并通過礦用網線通信方式將信號傳輸至上位機。數據采集裝置安裝在移動的罐籠上,由電源箱作為供電電源。為降低電源箱功耗,在罐籠到達頂部或底部等特殊位置時,上位機發送設置指令,使數據采集裝置內的單片機和無線通信模塊分別進入睡眠模式,降低電量消耗。在需要采集數據時,使單片機和無線通信模塊退出睡眠模式,正常工作。

2.6 罐籠行程監測裝置

2.6.1 罐籠平位信號監測

罐籠平位信號,即罐籠到達設置停止提升位置的開關量信號。由于每臺提升機配備2個罐籠,所以罐籠平位信號為2路開關量信號,采用磁性接近開關進行測量。磁性接近開關主要由2部分構成:接近開關探頭和磁鋼,其中磁鋼安裝在罐籠側面的適當位置,隨罐籠一起在井筒中運動;接近開關探頭安裝在井口,需要進行多次測試,以保證接近開關探頭和磁鋼配合的位置在每次罐籠到位的時候均能夠對準。

2.6.2 井中罐籠位置信號監測

在提升機驅動裝置電機附近的高速轉動軸上,沿著圓周方向安裝一圈特制的磁鋼,在高速轉動軸的徑向方向安裝霍爾轉速傳感器探頭。當高速轉動軸旋轉時,磁鋼和霍爾轉速傳感器相互配合,利用罐籠行程監測裝置監測到大量的脈沖信號,實現罐籠在井筒中位置的監測。在提升機電機高速轉動軸轉動過程中,不僅可以通過測量脈沖個數獲得滾筒轉動的圈數,進而計算罐籠的實時行程,同時也可以通過脈沖判斷滾筒轉動方向,從而確定滾筒的正、反轉?；魻栟D速傳感器測量結果準確度高,輸出信號便于遠距離傳輸和處理。

2.6.3 罐籠行程監測程序設計

罐籠行程監測裝置以微控制器STM32為核心,采集罐籠到位信號和罐籠井中位置信號,與上位機進行通信,將監測的數據發送至上位機。此外,罐籠行程監測裝置還能根據上位機的指令控制輸出繼電器閉合。罐籠到位信號頻率較低,監測簡單,通過查詢方式即可實現。罐籠井中位置信號最高頻率為100 kHz,通過計數器來實現霍爾傳感器脈沖信號的監測,脈沖電平的變化將觸發計數器的外部中斷,從而對脈沖個數進行監測。

3 系統軟件實現

基于無線傳輸的罐道在線監測系統軟件分為系統管理、在線監測、信號分析、監控中心4個部分,軟件系統功能如圖2所示。

圖2 軟件系統功能

4 結語

結合剛性罐道的典型故障,考慮在線監測系統實際工作環境,基于STM32微處理器,本文設計了無線傳輸罐道監測系統。針對無線傳輸罐道監測系統的軟、硬件及其實現的關鍵技術進行了研究,對系統軟、硬件的功能與實現方式進行了設計,滿足礦井剛性罐道故障監測的實際需求,為無線技術在礦井中的應用提供了借鑒。