郭衛(wèi)風(fēng)

（神東煤炭集團(tuán)石圪臺煤礦機(jī)電科，陜西 榆林719000）

0 引言

隨著我國機(jī)械化程度的加快，煤礦井下作業(yè)的機(jī)械化程度也逐漸提高，膠帶機(jī)被越來越廣泛的應(yīng)用于煤礦井下施工作業(yè)中，但是，由于膠帶機(jī)原因引發(fā)的火災(zāi)在煤礦井下火災(zāi)事故中所占比例呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢[1-2]。由于煤礦井下環(huán)境相對封閉，空氣流通較差，火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的大量煙霧和有害氣體極易造成人員窒息，并引起爆炸，造成極大損失。

現(xiàn)有煤礦一般都用煙霧傳感器的方式對膠帶機(jī)的溫度進(jìn)行監(jiān)測，但是這種方法的監(jiān)測存在一定的弊端，即只有當(dāng)火災(zāi)已經(jīng)發(fā)生的情況下才能獲得對應(yīng)的溫度異常數(shù)據(jù)信息，無法做到火災(zāi)發(fā)生前的趨勢預(yù)測，無法實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)異常信息的提前預(yù)報。因此設(shè)計一種可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)的礦井膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義，溫度監(jiān)測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果可為火災(zāi)監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)的分析提供參考數(shù)據(jù)[3-4]。基于此，如何通過科學(xué)手段對膠帶機(jī)設(shè)備溫度進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的監(jiān)測，讓設(shè)備在運(yùn)行的整個生命周期內(nèi)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)對象。

進(jìn)行礦井膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，通過對膠帶機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況以及可能會造成膠帶機(jī)溫度異常的原因進(jìn)行分析，搭建以微處理器、溫度傳感器、顯示器、無線通訊設(shè)備以及電源組成的硬件結(jié)構(gòu)，并對溫度采集系統(tǒng)以及整個檢測系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到準(zhǔn)確檢測煤礦膠帶機(jī)溫度的目的。

1 石圪臺煤礦膠帶機(jī)基本情況

石圪臺煤礦上倉膠帶機(jī)（003號膠帶機(jī)）該膠帶機(jī)2018年投入生產(chǎn)使用，過煤量可達(dá)1500萬t，膠帶運(yùn)行速度為4.0 m/s，寬度為1.5 m，傾角為12°，運(yùn)輸長度為（長×寬×高）=260 m×4.0 m×3.5 m；提升高度為53 m，是該礦的主要運(yùn)輸設(shè)備之一。根據(jù)煤礦維修記錄分析，當(dāng)溫度異常導(dǎo)致部件損壞需要更換時，耗時約8 h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)。

2 膠帶機(jī)溫度異常原因分析

在對膠帶機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測之前，首先分析引起石圪臺煤礦膠帶機(jī)溫度異常的原因[5-7]，通過研究表明，其主要原因可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1）滾筒打滑。膠帶機(jī)正常運(yùn)行條件下，膠帶與滾筒表面的相對滑差率一般在3%以內(nèi)。但當(dāng)運(yùn)行過程中發(fā)生打滑故障時，膠帶與滾筒表面的相對滑動加劇，由于兩者之間持續(xù)發(fā)生摩擦運(yùn)動，會產(chǎn)生大量熱量，如不能及時解除這種狀況，就會造成膠帶出現(xiàn)溫度異常的情況。表1為不同膠帶機(jī)及附近不同材料的異常情況溫度分析。

表1 石圪臺煤礦膠帶機(jī)溫度異常情況分析

2）托輥停轉(zhuǎn)。由于環(huán)境因素和施工特性的影響，在煤炭的運(yùn)輸與裝載過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，無外力作用的情況下，粉塵會被不斷吸附到托輥上，當(dāng)積攢到一定量時，就會造成托輥卡死，膠帶機(jī)仍然以正常運(yùn)行速度摩擦托輥，這種情況下托輥也會出現(xiàn)溫度升高的情況，并成為膠帶溫度異常的隱患。

3）膠帶機(jī)重載運(yùn)行。當(dāng)膠帶機(jī)負(fù)載過重時，將會出現(xiàn)驅(qū)動滾筒與膠帶之間的摩擦力無法驅(qū)動膠帶機(jī)正常運(yùn)行的情況，造成驅(qū)動滾筒連續(xù)摩擦同一段膠帶，引發(fā)膠帶溫度異常。

3 膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

針對上述的造成膠帶及溫度異常的原因分析，本文提出礦井膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，通過溫度傳感器對膠帶機(jī)溫度進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳與分析，以此實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)溫度的實(shí)時、準(zhǔn)確監(jiān)測。

3.1 硬件設(shè)計

1）微處理器模塊。該模塊裝置供電方式采用電池供電，因此在選擇器件時，選用功耗相對較低的器件。鑒于MS P430系列單片機(jī)在超低功耗方面的所具備的突出特性，本文須選用的MS P430F436作為微處理器模塊的硬件設(shè)備，所選用的MS P430F436單片機(jī)帶有24K B+256B Flash Memory和1K B RA M，同時附有160段式LCD驅(qū)動模塊，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，對于膠帶機(jī)溫度監(jiān)測是極佳選擇。

2）溫度傳感器模塊。鑒于膠帶機(jī)的工作環(huán)境和自身特點(diǎn)，溫度傳感器的選用需要滿足體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、附加功能強(qiáng)的特點(diǎn)，因此本文選擇的傳感器為單主線數(shù)字式溫度傳感器GW P200，其封裝形式為3引腳T O-92，實(shí)現(xiàn)占用體積的最小化；溫度測量范圍為-55℃～+125℃，可進(jìn)行9～12位的A/D精度轉(zhuǎn)換，溫度監(jiān)測可達(dá)0.062℃[8-9]，測得的溫度結(jié)果輸出方式為符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量形式串行輸出；考慮實(shí)際礦井實(shí)際應(yīng)用需求，工作電源采用寄生電源；并將多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置的GW P200傳感器并聯(lián)到同一主線上，減少微處理器端口的占用數(shù)量，節(jié)省不必要的引線和電路排布，也更加使用與該礦井這種相對遠(yuǎn)距離的膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測。但在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，主線連接的溫度傳感器超過8個時，需要增加單片機(jī)主線驅(qū)動器來輔助完成驅(qū)動。因此系統(tǒng)僅用了8個溫度傳感器，為了保證溫度傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)果的可靠性，在每個溫度傳感器的通訊數(shù)據(jù)線上串聯(lián)1個阻值為100Ω的電阻，以此避免出現(xiàn)阻抗失配的問題，并提高傳感器的網(wǎng)絡(luò)性能。

3）顯示模塊。鑒于液晶其本身不主動發(fā)光，而是通過環(huán)境光對信息進(jìn)行顯示的特點(diǎn)，具有很低的功率消耗，因此設(shè)計系統(tǒng)采用液晶顯示。具體選用設(shè)備為LS4031Z32段4位段式靜態(tài)液晶，其具有高亮的LED背光，利用微處理器模塊單片機(jī)內(nèi)帶的段式LCD驅(qū)動模塊進(jìn)行驅(qū)動，操作更加簡單。同時，背光可通過微處理器模塊單片機(jī)進(jìn)行開關(guān)控制，并且在背光開啟時，液晶消耗電流也僅1 mA。

4）無線通訊模塊。無線通訊模塊的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)將溫度傳感器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送到接收裝置[10]，并由接收裝置通過CAN進(jìn)行匯總傳送到系統(tǒng)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。本文設(shè)計系統(tǒng)采用信息處理器射頻芯片，其作為一款整合了符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 G H z無線射頻、內(nèi)存和微控制器的片上系統(tǒng)，由電池直接供電，工作電壓范圍僅為2.0～3.6 V，這也與系統(tǒng)對低功耗的要求相契合，并由串口引腳完成信息處理器與微處理器模塊單片機(jī)之間相連，當(dāng)微處理器模塊單片機(jī)完成溫度采集后，將采集的溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)至處理器，處理器收到溫度采集結(jié)果數(shù)據(jù)后，再以無線信號的形式發(fā)送給接收裝置。

5）電源模塊。由于系統(tǒng)在各部分元器件的選取中已經(jīng)充分考慮到了降低功耗的因素，因此，系統(tǒng)針對TI公司的線性電源芯片T P S9933靜態(tài)電流低、噪音值超低、壓差小、電源抑制比高、外接元件簡單等特點(diǎn)，選用了該芯片作為電源模塊的硬件設(shè)備，并通過將電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V來滿足系統(tǒng)不同模塊對有工作用電的需求。系統(tǒng)整體硬件原理圖如圖1所示。

圖1 多點(diǎn)溫度監(jiān)測裝置硬件原理框圖

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊的軟件設(shè)計采用C語言進(jìn)行編寫，主要任務(wù)就是完成對溫度傳感器的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集與收集，并最終將采集到的溫度數(shù)據(jù)送至單片機(jī)進(jìn)行儲存，由于溫度傳感器采用的是單主線的連接方式，因此采集到的溫度數(shù)據(jù)需要通過同一條主線進(jìn)行讀寫操作，這就要求數(shù)據(jù)采集過程中的操作必須嚴(yán)格按照既定時序進(jìn)行，圖2為溫度采集流程圖。

圖2 溫度采集流程圖

溫度傳感器的單片機(jī)首先進(jìn)行上電復(fù)位，通過脈沖使信號線上所連接的溫度傳感器芯片數(shù)據(jù)復(fù)位，然后發(fā)出R O M搜索命令，以此實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)上溫度傳感器芯片的64位序列號的獲取，之后再次進(jìn)行復(fù)位操作，完成二次復(fù)位后，發(fā)出R O M訪問命令，啟動溫度傳感器芯片，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后發(fā)送R O M匹配命令，激活與序列號編碼匹配的溫度傳感器芯片。被激活后的溫度傳感器進(jìn)入接受內(nèi)存訪問命令狀態(tài)，以完成溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取等工作。

3.2.2 程序流程

為降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，在系統(tǒng)主程序中引入中斷觸發(fā)程序。在非數(shù)據(jù)運(yùn)行階段，微處理器模塊中的中央處理器、無線通訊模塊中的信息處理器均處于低功耗模式，且電流消耗僅為0.1μA；在數(shù)據(jù)運(yùn)行階段，中央處理器定時喚醒并通過觸發(fā)信息處理器進(jìn)入工作狀態(tài)，傳感器的中央處理器對膠帶機(jī)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并打包，通過串口發(fā)送至信息處理器，信息處理器確認(rèn)接收成功后回復(fù)確認(rèn)命令，中央處理器收到該命令后，二者再次轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，直至下一次喚醒。

4 實(shí)驗(yàn)測試

將所設(shè)計溫度監(jiān)測裝置在石圪臺煤礦進(jìn)行試運(yùn)行，為檢驗(yàn)其對異常溫度監(jiān)測的靈敏性和監(jiān)測效果，用直流電機(jī)帶動膠帶機(jī)其中一個橡膠輪轉(zhuǎn)動摩擦托輥表面，并固定托輥不動，以確保其表面與橡膠輪有一定的壓緊力，同時在托輥表面包裹保溫材料模擬井下的托輥被煤粉埋包的工況，用微扇模擬通風(fēng)系統(tǒng)，以測試其實(shí)際監(jiān)測效果，監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 石圪臺煤礦膠帶機(jī)溫度監(jiān)測結(jié)果

從表2中可以看出，隨著摩擦?xí)r間的增加，托輥軸端異常運(yùn)行引起的膠帶機(jī)表面溫度變化明顯，本文設(shè)計系統(tǒng)在產(chǎn)生異常運(yùn)行后的10 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了表面溫度異常的準(zhǔn)確監(jiān)測，并啟動報警程序，可以有效降低火災(zāi)警情監(jiān)控不及時引起的不必要災(zāi)害，避免由此引發(fā)的生命和財產(chǎn)損失。

5 結(jié)束語

針對由于礦井膠帶機(jī)溫度異常引起礦井災(zāi)害，本文提出礦井膠帶機(jī)多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)在石圪臺煤礦的應(yīng)用，從造成膠帶機(jī)溫度異常的原因出發(fā)，以石圪臺煤礦的實(shí)際情況為依托，設(shè)計了一組低功耗，高效能的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，提高對膠帶機(jī)溫度的監(jiān)測效果，降低由此引發(fā)的意外情況發(fā)生的概率。