王德堂, 劉德建, 蘆 偉, 董 博, 舒翰儒

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院, 運(yùn)輸與提升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590)

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量也逐步增加，其開(kāi)采難度也不斷上升，對(duì)礦井的安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題日漸被提上日程[1-3]，引起了許多專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。Liu等[4]針對(duì)礦井瓦斯數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式實(shí)時(shí)圖形顯示與監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)對(duì)礦井的瓦斯量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；Deng等[5]基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)原理搭建了對(duì)礦井瓦斯的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證了礦井氣體環(huán)境的安全；Ma等[6]在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)煤礦巷道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于保證礦井的安全；Rai等[7]利用微處理器，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)地下礦井環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Moridi等[8]以礦井環(huán)境為例，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線通信與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)對(duì)復(fù)雜的礦井環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些研究在某些方面對(duì)礦井起到了一定的安全監(jiān)測(cè)作用[9-10]，但沒(méi)有對(duì)斜井箕斗掉道的安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11-12]。

在礦產(chǎn)資源從井下運(yùn)往井面的過(guò)程當(dāng)中，由于箕斗的載重量很大甚至?xí)l(fā)生過(guò)載，這將會(huì)導(dǎo)致箕斗出現(xiàn)掉道的現(xiàn)象，產(chǎn)生重大安全事故，對(duì)工作人員和安全生產(chǎn)具有很大的威脅性，因此，如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與防護(hù)日漸成為礦井安全領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一[13]。

現(xiàn)針對(duì)斜井箕斗在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的掉道問(wèn)題，構(gòu)建無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用MPU9250芯片和動(dòng)力學(xué)解算原理對(duì)箕斗的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用邏輯分析儀捕獲的波形圖證明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)目尚行?，最后以山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，以保證對(duì)礦井安全運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，中國(guó)大多數(shù)金礦對(duì)斜井提升一般采用斜井串車提升、斜井箕斗提升與膠帶輸送機(jī)提升三種方式，而山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司采用的提升方式為斜井箕斗提升，提升能力較大，比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)有裝載和卸載設(shè)備，根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定：年產(chǎn)量在300～600 kt以上，傾角在25°～35°的斜井中宜采用此類提升方式。但斜井箕斗礦車在工作的過(guò)程中容易發(fā)生掉道事故，即金礦石從井下工作面通過(guò)箕斗運(yùn)輸?shù)骄诘倪^(guò)程中，箕斗礦車出現(xiàn)的脫離軌道的現(xiàn)象，針對(duì)斜井箕斗宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和掉道現(xiàn)象以及中外對(duì)金礦安全監(jiān)測(cè)方面的不足，研究設(shè)計(jì)了無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)整體分為井口接收、斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊和井口發(fā)射模塊三部分。井口接收作為各類數(shù)據(jù)采集的接收裝置主要有XL66數(shù)據(jù)接收器組成，主要采集監(jiān)測(cè)斜井箕斗位置的到位傳感器的開(kāi)關(guān)量信息并負(fù)責(zé)將斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊的信息通過(guò)RS485A、RS485B通信接口和通信天線由FCCW通信電纜將傳遞到上位機(jī)，為了滿足一定的防爆與通信穩(wěn)定性要求，將井口接收XL66封裝到由Q235鋼板焊接而成的殼體當(dāng)中。斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊在模擬量采集裝置XL604的作用下，將監(jiān)測(cè)斜井箕斗與軌道之間接觸距離的光電傳感器和感應(yīng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射天線傳輸?shù)骄诎l(fā)射箱中，載荷傳感器通過(guò)螺絲緊定裝置安裝于牽引配重塊與箕斗的鋼絲繩上，通過(guò)通信電纜連接到XL604采集裝置中。姿態(tài)傳感器封裝在XL604采集模塊中，利用JY61PM芯片與串口連接模塊通信，將測(cè)量到的箕斗小車的加速度與傾角信息通過(guò)TWS通信線傳遞到XL604中，由XL604將數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信電纜與地面上位機(jī)進(jìn)行通信，在接收到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，當(dāng)發(fā)生箕斗超載、未到位和處于掉道臨界狀態(tài)時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生急劇變化并通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行報(bào)警，通知檢查或負(fù)責(zé)人員進(jìn)行處理，及時(shí)排除隱患。

2 系統(tǒng)布局與通信分析

2.1 硬件系統(tǒng)

在礦山斜井當(dāng)中，由于受到多種不確定環(huán)境因素的影響，為了使信號(hào)方便接收并傳給上位機(jī)，將接收系統(tǒng)安裝于箕斗放礦附近，布置一組XL66無(wú)線轉(zhuǎn)換器與一組供電電源，可以構(gòu)建合適的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足不同的接收需求。發(fā)射功率為100 mW，接收靈敏度可達(dá)-97 dBm，采用GFSK的調(diào)制方式，傳輸速率可達(dá)250 kbps，采用星型或MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全信號(hào)15 KVESD保護(hù)。

通過(guò)加裝ASC601直流信號(hào)隔離配電器，可以將其產(chǎn)生的信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)隔離傳送到控制室，采用高效的磁電隔離技術(shù)，輸入和輸出電源之間相互隔離，具有高精度，高線性度和低溫漂等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間可以控制在10 ms以內(nèi)。

兩路載荷傳感器分別加裝在礦車箕斗的鋼絲繩和配重小車的鋼絲繩上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在提升礦石的過(guò)程中拉力的變化情況，防止出現(xiàn)鋼絲繩拉斷的情況，其電路連接如圖2所示。

利用加裝的WT901C485姿態(tài)角度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)礦車箕斗擺動(dòng)角度與加速度的大小的采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在運(yùn)行軌道上的信息。此傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。加速度計(jì)算方法為

jX=[(JX，H=8)|JX，L]/(32 768×16g)

(1)

jY=[(JY，H=8)|JY，L]/(32 768×16g)

(2)

jZ=[(JZ，H=8)|JZ，L]/(32 768×16g)

(3)

Sum=0x55+0x51+JX，H+JX，L+JY，H+

JY，L+JZ，H+JZ，L

(4)

式中：g為重力加速度；JX，L為X軸方向低字節(jié)；JX，H為X方向高字節(jié)；JY，L為Y軸方向低字節(jié)；JY，H為Y軸方向高字節(jié)；JZ，L為Z軸方向低字節(jié)；JZ，H為Z軸方向高字節(jié)。

采用MPU9250芯片，該芯片集成了VCC模塊電源(3.3 V或5 V輸入)，RX串行數(shù)據(jù)輸入(TTL 電平)，TX串行數(shù)據(jù)輸出(TTL 電平)，SCLI2C 時(shí)鐘線，SDAI2C 數(shù)據(jù)線，采用4層PC板工藝，保留擴(kuò)展端口來(lái)分別配置模擬輸入，數(shù)字輸入，數(shù)字輸出，PWM 輸出等功能，具有一定的靜電防護(hù)功能，通信電路如圖3所示。

為便于獲取斜井箕斗采集的數(shù)據(jù)，在井口的位置安裝井口發(fā)射系統(tǒng)，主要用于把斜井箕斗采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收并發(fā)射到XL604模塊中，由XL604連接的FCCW通信電纜傳到上位機(jī)中。在對(duì)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用一組XL60智能測(cè)控模塊和一組XL66無(wú)線轉(zhuǎn)換器，內(nèi)設(shè)4～20 mA輸入，PT100，端口等，選用16 位的A/D轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.006 5% F.S，可以采用433 MHz、GPRS、WIFI、2.4G等多種通信方式，利用天線傳輸信息，無(wú)線電路如圖4所示。

圖2 載荷傳感器與電壓跟隨器電路連接圖

圖3 通信電路圖

圖4 無(wú)線電路圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸通信

首先，IIC主機(jī)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)給JY-901模塊，然后把模板IIC的地址IICAddr寫入寄存器地址RegAddr，進(jìn)而按照次序先寫入第一個(gè)數(shù)據(jù)的低字節(jié)，第一個(gè)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，若還有其他數(shù)據(jù)，繼續(xù)以先低字節(jié)后高字節(jié)的次序?qū)懭?，?shù)據(jù)寫入完畢后，主機(jī)向模塊發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，讓出總線。如果高字節(jié)數(shù)據(jù)寫入JY-901模塊之后，模塊內(nèi)部的寄存器將更新并執(zhí)行相應(yīng)的命令，同時(shí)模塊內(nèi)部的寄存器地址自動(dòng)加1，地址指針指向下一個(gè)需要寫入的寄存器地址，這樣可以實(shí)現(xiàn)寫入。

邏輯分析儀捕獲的波形如圖5所示。

當(dāng)寫入寄存器地址RegAddr后，主機(jī)再向模塊發(fā)送一個(gè)讀信號(hào)(IICAddr=1)|1，如果是默認(rèn)地址0x51，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)為0xa1，此后模塊將按照先低字節(jié)，后高字節(jié)的順序輸出數(shù)據(jù)，主機(jī)需在收到每一個(gè)字節(jié)后，拉低SDA總線，向模塊發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，待接收完指定數(shù)量的數(shù)據(jù)以后，主機(jī)不再向模塊回饋應(yīng)答信號(hào)，此后模塊將不再輸出數(shù)據(jù)，主機(jī)向模塊再發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，以結(jié)束本次操作。邏輯波形如圖6所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

3.1 實(shí)測(cè)安裝與配置

組態(tài)王軟件通過(guò)Microsoft Windows 98/NT中文平臺(tái)和TOUCHMAK運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行，系統(tǒng)應(yīng)用北京亞控科技有限公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)王上位機(jī)軟件，組態(tài)王工控軟件具有自適應(yīng)好、操作方便、開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。此軟件利用MODBUS RTU通信協(xié)議，采用RS485通信接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的礦車箕斗的掉道情況、運(yùn)行姿態(tài)、到位情況以及鋼絲繩的拉力狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析

斜井提升防掉道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于通過(guò)安裝于箕斗礦車車身上的感應(yīng)傳感器、光電傳感器以及載荷傳感器反饋的數(shù)據(jù)信息來(lái)判斷箕斗是否掉道，通過(guò)姿態(tài)傳感器傳回來(lái)的角度和加速度信息判斷箕斗礦車的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)感應(yīng)與光電傳感器設(shè)置開(kāi)關(guān)量和報(bào)警提示，利用到位傳感器判斷礦車的到位情況，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)運(yùn)行正常，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

0-SCL和1-SDA分別代表時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線

0-SCL和1-SDA分別代表時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 姿態(tài)傳感器角度監(jiān)測(cè)值

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，載荷傳感器讀取的箕斗鋼絲繩上的拉力值在98～101 kN，誤差范圍在3 kN之內(nèi)，配重車的拉力在48～52 kN，誤差在4 kN之內(nèi)，可以滿足其監(jiān)測(cè)要求，安裝于車身上的采集裝置測(cè)得的電池電壓為11.30～12 V，姿態(tài)傳感器初始值為X軸方向的角度值為15.61°，Y軸方向?yàn)?1.54°，Z軸方向?yàn)?5.23°，誤差范圍在5°內(nèi)，X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的加速度誤差基本保持穩(wěn)定,由于系統(tǒng)受到礦井環(huán)境因素的影響，其誤差在正常范圍內(nèi)，可以保證對(duì)斜井掉道的正常監(jiān)測(cè)。

表2 姿態(tài)傳感器加速度監(jiān)測(cè)值

表3 載荷傳感器與電池電壓監(jiān)測(cè)值

本文所設(shè)計(jì)的斜井掉道監(jiān)測(cè)方法與國(guó)內(nèi)外其他研究方法相比，建立了邏輯波形圖驗(yàn)證通信協(xié)議的穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，可靠性高，斜井箕斗的掉道問(wèn)題得到了較好的解決。

4 結(jié)論

針對(duì)斜井箕斗的掉道現(xiàn)象，搭建了無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)研究與分析，得到了以下結(jié)論。

(1)在通過(guò)井下測(cè)試后，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的拉力載荷監(jiān)測(cè)、礦井箕斗的傾角及加速度的測(cè)量等功能。

(2)利用無(wú)線采集模塊搭建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集的信息準(zhǔn)確可靠，信息傳輸接口安全穩(wěn)定，具有運(yùn)行可靠、操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以起到對(duì)礦車箕斗掉道的良好的監(jiān)測(cè)作用。

(3)通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行井下實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性與可行性。