張 琳，張建國

（太原理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.測(cè)控技術(shù)研究所，太原030024）

礦井提升機(jī)是煤礦等特種企業(yè)聯(lián)系井下和地面的重要運(yùn)輸工具，素有煤礦“咽喉”之稱，其運(yùn)行的安全性和可靠性直接影響著煤炭、礦石的生產(chǎn)及相關(guān)人員的生命安全，是整個(gè)礦井順利進(jìn)行生產(chǎn)工作的前提條件。因此，提升機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性對(duì)于企業(yè)來說是至關(guān)重要的［1］。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)提升機(jī)的定期技術(shù)檢測(cè)主要采用分拆檢查維修的方式，這種簡(jiǎn)單的拆裝維修非但不能提高設(shè)備的安全性，而且頻繁的拆裝會(huì)破壞設(shè)備的可靠性，同時(shí)對(duì)于設(shè)備的突發(fā)性故障是無法檢測(cè)的。這種計(jì)劃預(yù)防維修的方式由于自身存在的過維修和欠維修的缺點(diǎn)已經(jīng)不能適應(yīng)煤礦的現(xiàn)代化生產(chǎn)。所以，開發(fā)自動(dòng)化程度高的提升機(jī)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

基于上述原因，筆者提出了基于GPRS（General Packet Radio Servic，通用分組無線業(yè)務(wù)）技術(shù)的礦用提升機(jī)制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建方法，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集提升機(jī)制動(dòng)過程中的油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等功能，可以提高煤礦企業(yè)的設(shè)備檢修效率、降低運(yùn)行成本。

1 系統(tǒng)組成與功能分析

目前對(duì)于礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)［2］主要有制動(dòng)力矩、制動(dòng)彈簧力、閘瓦磨損、摩擦系數(shù)、閘瓦間隙、液壓油壓力、液壓油溫度和閘瓦溫度等，涉及到的監(jiān)測(cè)方法為，采用溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器等測(cè)試儀器直接或者間接地對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的故障報(bào)警。測(cè)報(bào)系統(tǒng)由以下六部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.1 液壓站油溫監(jiān)測(cè)

溫度傳感器（測(cè)量范圍0～100℃，輸出電壓0～5V）位于液壓站油箱的液壓油中，通過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)接入單片機(jī)中，在監(jiān)控系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到油溫值。

液壓油的溫度會(huì)對(duì)油液的粘滯性和流動(dòng)性產(chǎn)生影響，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，液壓站在正常工作情況下溫度不得超過65℃，最大極限值不得超過80℃。故本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置油溫的高值報(bào)警為65℃，極限值報(bào)警為80℃。

1.2 液壓站油壓監(jiān)測(cè)

油壓傳感器通過液壓油出口處的螺紋安裝固定，油壓數(shù)據(jù)可以線性轉(zhuǎn)化為電壓值并最終以實(shí)際的油壓數(shù)據(jù)顯示。

在提升機(jī)運(yùn)行過程中，液壓站油壓的上限值是由設(shè)計(jì)提升機(jī)時(shí)的最大靜拉力差決定的。在實(shí)際工作中，靜拉力差一般小于最大靜拉力差，所以油壓的上限值應(yīng)該按照最大靜拉力差設(shè)置，以保證提升安全。

根據(jù)最大靜拉力差確定的最大工作油壓pe為：

式中：pe為最大工作油壓；p0為提升機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)最大靜拉力差確定的最大工作油壓，在制動(dòng)器主要參數(shù)表可查到；k為靜拉力差影響因子，其值為：k＝Fx／Fc（其中Fx，F(xiàn)c分別為提升設(shè)備實(shí)際和設(shè)計(jì)時(shí)的最大靜拉力差）；c′為根據(jù)制動(dòng)器的綜合阻力折算得到。

1.3 閘瓦間隙監(jiān)測(cè)

選用高精度接觸式直線位移傳感器，線性測(cè)量范圍：0～10mm，電源：DC 24V，輸出信號(hào)：4～20 mA。將其固定安裝在制動(dòng)器外殼上，突出探頭緊貼閘瓦，制動(dòng)過程中傳感器的彈性探頭可以隨著閘瓦來回運(yùn)動(dòng)［3］，在安裝時(shí)為了保證傳感器有較好的線性度，要求在抱閘時(shí)其絕對(duì)位移大于4mm，或敞閘時(shí)絕對(duì)位移小于6mm。

1.4 閘瓦溫度監(jiān)測(cè)

采用貼片式溫度傳感器將其固定在閘瓦的外側(cè)，在制動(dòng)器工作時(shí)可以實(shí)時(shí)測(cè)得閘瓦的溫度。當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)影響閘瓦與閘盤之間的摩擦系數(shù)，造成制動(dòng)力矩不足，所以設(shè)置閘瓦溫度高值為80℃，極限報(bào)警值為100℃。

1.5 數(shù)據(jù)采集儀功能說明

1）與各傳感器相連，通過A／D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度信號(hào)的輸入。

2）將輸入的傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波、計(jì)算、存儲(chǔ)及顯示，并可以對(duì)遙測(cè)命令進(jìn)行識(shí)別與執(zhí)行。

3）通過液晶顯示器實(shí)現(xiàn)日期、時(shí)間、油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以通過系統(tǒng)自帶的面板鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)日期、時(shí)間和預(yù)警值等參數(shù)的設(shè)置。

1.6 監(jiān)控中心功能說明

監(jiān)控中心通過Internet網(wǎng)實(shí)時(shí)接收提升機(jī)制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)信息［4］，如遇到報(bào)警提示，則利用遠(yuǎn)程的相關(guān)資源進(jìn)行故障診斷，最后的診斷結(jié)果可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的維修保養(yǎng)工作，縮短提升機(jī)的停機(jī)檢修時(shí)間。

2 數(shù)據(jù)采集儀硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集儀硬件設(shè)計(jì)方案

提升機(jī)制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需要對(duì)油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，故制定系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案（如圖2所示）如下：

1）模擬量調(diào)理輸入接口可接兩線制4～20mA變送器，對(duì)輸入的模擬信號(hào)按12位進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換處理。

2）LCD液晶顯示屏最終實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)為日期（年、月、日）、時(shí)間（時(shí)、分）、液壓油溫度、液壓油壓力、閘瓦間隙和閘瓦溫度。

3）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，帶掉電保護(hù)，誤差≤±1分／月。

4）使用內(nèi)置看門狗增加電路穩(wěn)定性，并采用抗干擾設(shè)計(jì)，保證硬件系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

5）提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232／RS-485通信接口，可以通過外置GPRS DTU實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)與監(jiān)控中心PC機(jī)定時(shí)多點(diǎn)遠(yuǎn)距離無線傳輸。

6）通過標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口實(shí)現(xiàn)程序代碼下載和在線調(diào)試。

7）在無數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，GPRS DTU及微處理器工作在低頻模式，同時(shí)切斷傳感器電源以降低功耗。

8）儀器具有完善的電路保護(hù)功能和抗干擾措施，可在－40℃～＋50℃范圍內(nèi)正常工作。

圖2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集儀軟件設(shè)計(jì)方案

充分考慮到與硬件體系的有機(jī)結(jié)合，利用MSP430F1611的優(yōu)異特性實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。系統(tǒng)軟件由模塊組成，通過各模塊間子程序的調(diào)用，使程序更合理，更具有可讀性。

系統(tǒng)軟件主要由主程序、油溫?cái)?shù)據(jù)采集程序、油壓數(shù)據(jù)采集程序、閘瓦間隙位移數(shù)據(jù)采集程序、閘瓦溫度采集程序、報(bào)警程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序、鍵盤和LCD液晶顯示程序、SD卡存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送程序等模塊構(gòu)成。

主程序的具體工作流程如圖3所示。

圖3 主程序設(shè)計(jì)流程示意圖

系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊初始化后，根據(jù)變量yLCD的當(dāng)前值在屏幕中分別顯示時(shí)間、油溫、油壓、閘瓦間隙、閘瓦溫度。當(dāng)時(shí)鐘芯片的中斷程序置位后，主程序進(jìn)行提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到時(shí)鐘芯片EEPROM和SD卡內(nèi)，同時(shí)向中心管理微機(jī)發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)值，最后返回顯示。

3 數(shù)據(jù)的無線傳輸格式

本系統(tǒng)選用GPRS無線方式傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在信號(hào)的傳輸過程中，干擾和噪聲是隨機(jī)產(chǎn)生的，可能是任意字節(jié)的組合。為了更好的分辨噪聲和有效數(shù)據(jù)，采用Unicode編碼技術(shù)［5］，定義的數(shù)據(jù)傳輸格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)的傳輸格式

3.1 監(jiān)測(cè)中心命令幀

1）實(shí)時(shí)查詢命令

格式：幀頭＋制動(dòng)器編號(hào)＋查詢命令

代碼舉例：CX＋A＋67E58BE2

翻譯：查詢制動(dòng)器A當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并返回中心站。

2）歷史查詢命令

格式：幀頭＋制動(dòng)器編號(hào)＋查詢命令＋查詢時(shí)間

代碼舉例：CX＋A＋67E5627E＋003100315E74＋003000386708＋0031003265E5＋0031003765F6＋003100355206

翻譯：查詢11年08月12日17點(diǎn)15分的歷史數(shù)據(jù)，并返回中心站。

3.2 返回?cái)?shù)據(jù)幀

格式：幀頭＋制動(dòng)器編號(hào)＋查詢時(shí)間

代碼舉例：CX＋A＋31313038313031333334

翻譯：返回制動(dòng)器A于11年08月10日13點(diǎn)34分的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其結(jié)果為液壓油溫度：34.25℃；液壓油壓力：0.71MPa；閘瓦間隙：1.27mm；閘瓦溫度：73.30℃。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

筆者利用本系統(tǒng)以纏繞式提升機(jī)為試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)提升機(jī)的油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等物理量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果如下。

4.1 液壓油壓力測(cè)試與分析

圖4顯示為液壓油壓力在0～30min之間的數(shù)據(jù)分布，圖中數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在0.60MPa之間，說明該時(shí)間段內(nèi)壓力處于正常水平。

圖4 制動(dòng)器液壓油壓力曲線

4.2 制動(dòng)器溫度與閘瓦溫度測(cè)試與分析

從圖5可以看出液壓油溫度與閘瓦溫度在0～30min之間分別保持于31.00℃和68.00℃左右，處于該溫度段的設(shè)備為正常工作狀態(tài)。

4.3 制動(dòng)器閘瓦間隙位移測(cè)試與分析

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，閘瓦間隙不得超過2.00 mm，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，操作人員一般將其設(shè)定為1.50mm，使之既不影響制動(dòng)效果，又不影響制動(dòng)器的空動(dòng)時(shí)間。圖6顯示為1～4號(hào)閘瓦在0～30min之間的間隙變化情況，從圖中數(shù)據(jù)看，1～3號(hào)閘瓦間隙的變化在1.30mm左右，而4號(hào)的變化在2.20 mm左右，已經(jīng)超過了設(shè)定上限，系統(tǒng)將會(huì)立即報(bào)警提醒操作人員檢修調(diào)整閘瓦間隙至正常值。

圖5 制動(dòng)器油溫與閘瓦溫度曲線

圖6 制動(dòng)器閘瓦間隙位移變化曲線

由于篇幅所限，文中只列出了一次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從實(shí)際運(yùn)行來看該系統(tǒng)接收、顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠?qū)崟r(shí)反映提升機(jī)制動(dòng)器運(yùn)行過程中相關(guān)油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度的參數(shù)信息，并能及時(shí)預(yù)警。系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性較高。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于GPRS的礦用提升機(jī)制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與硬件軟件，經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確的解碼、顯示、傳輸、存儲(chǔ)并及時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行狀態(tài)良好并具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］ 楊君，魏鏡弢，陳金仙.虛擬儀器下的提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.有色金屬（礦山部分），2008（3）：39-41.

［2］ 路金萍，閆巧枝，曲德臣.礦井提升機(jī)制動(dòng)性能測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2006（9）：177-178

［3］ 雷汝海，王軍，趙振明.基于S7-300PLC的制動(dòng)器閘瓦間隙監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2007（4）：86-88.

［4］ 黃友銳，唐超禮，黃見，凌六一.礦井提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭工程，2008（8）：13-14.

［5］ 鄧曉艷，吳榮泉，李雙全，朱玉，張棟嶺.基于Linux移動(dòng)終端的GSM／GPRS無線通信的原理與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003（2）：137-139.