礦用提升機制動器運行狀態無線監測系統的設計

張 琳，張建國

（太原理工大學a.機械工程學院；b.測控技術研究所，太原030024）

礦井提升機是煤礦等特種企業聯系井下和地面的重要運輸工具，素有煤礦“咽喉”之稱，其運行的安全性和可靠性直接影響著煤炭、礦石的生產及相關人員的生命安全，是整個礦井順利進行生產工作的前提條件。因此，提升機運行的安全性、可靠性對于企業來說是至關重要的［1］。

根據相關規定，對提升機的定期技術檢測主要采用分拆檢查維修的方式，這種簡單的拆裝維修非但不能提高設備的安全性，而且頻繁的拆裝會破壞設備的可靠性，同時對于設備的突發性故障是無法檢測的。這種計劃預防維修的方式由于自身存在的過維修和欠維修的缺點已經不能適應煤礦的現代化生產。所以，開發自動化程度高的提升機工況監測系統對設備進行在線監測，具有明顯的經濟效益和社會效益。

基于上述原因，筆者提出了基于GPRS（General Packet Radio Servic，通用分組無線業務）技術的礦用提升機制動器運行狀態參數無線監測系統的構建方法，該系統具有實時采集提升機制動過程中的油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等功能，可以提高煤礦企業的設備檢修效率、降低運行成本。

1 系統組成與功能分析

目前對于礦井提升機制動系統的監測參數［2］主要有制動力矩、制動彈簧力、閘瓦磨損、摩擦系數、閘瓦間隙、液壓油壓力、液壓油溫度和閘瓦溫度等，涉及到的監測方法為，采用溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器等測試儀器直接或者間接地對液壓制動系統實現監測，并進行簡單的故障報警。測報系統由以下六部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

1.1 液壓站油溫監測

溫度傳感器（測量范圍0～100℃，輸出電壓0～5V）位于液壓站油箱的液壓油中，通過A／D轉化為數字信號接入單片機中，在監控系統中通過數據轉化得到油溫值。

液壓油的溫度會對油液的粘滯性和流動性產生影響，根據《煤礦安全規程》的規定，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℃。故本監控系統設置油溫的高值報警為65℃，極限值報警為80℃。

1.2 液壓站油壓監測

油壓傳感器通過液壓油出口處的螺紋安裝固定，油壓數據可以線性轉化為電壓值并最終以實際的油壓數據顯示。

在提升機運行過程中，液壓站油壓的上限值是由設計提升機時的最大靜拉力差決定的。在實際工作中，靜拉力差一般小于最大靜拉力差，所以油壓的上限值應該按照最大靜拉力差設置，以保證提升安全。

根據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為提升機設計時根據最大靜拉力差確定的最大工作油壓，在制動器主要參數表可查到；k為靜拉力差影響因子，其值為：k＝Fx／Fc（其中Fx，Fc分別為提升設備實際和設計時的最大靜拉力差）；c′為根據制動器的綜合阻力折算得到。

1.3 閘瓦間隙監測

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

1.4 閘瓦溫度監測

采用貼片式溫度傳感器將其固定在閘瓦的外側，在制動器工作時可以實時測得閘瓦的溫度。當溫度過高時會影響閘瓦與閘盤之間的摩擦系數，造成制動力矩不足，所以設置閘瓦溫度高值為80℃，極限報警值為100℃。

1.5 數據采集儀功能說明

1）與各傳感器相連，通過A／D轉換實現油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度信號的輸入。

2）將輸入的傳感器信號進行采樣、濾波、計算、存儲及顯示，并可以對遙測命令進行識別與執行。

3）通過液晶顯示器實現日期、時間、油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等數據的實時顯示，同時可以通過系統自帶的面板鍵盤實現對日期、時間和預警值等參數的設置。

1.6 監控中心功能說明

監控中心通過Internet網實時接收提升機制動器的運行狀態信息［4］，如遇到報警提示，則利用遠程的相關資源進行故障診斷，最后的診斷結果可以指導現場的維修保養工作，縮短提升機的停機檢修時間。

2 數據采集儀硬件與軟件設計

2.1 數據采集儀硬件設計方案

提升機制動器運行狀態的監測需要對油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度進行實時數據查詢，故制定系統的硬件設計方案（如圖2所示）如下：

1）模擬量調理輸入接口可接兩線制4～20mA變送器，對輸入的模擬信號按12位進行A／D轉換處理。

2）LCD液晶顯示屏最終實時顯示的數據為日期（年、月、日）、時間（時、分）、液壓油溫度、液壓油壓力、閘瓦間隙和閘瓦溫度。

3）具有實時時鐘，帶掉電保護，誤差≤±1分／月。

4）使用內置看門狗增加電路穩定性，并采用抗干擾設計，保證硬件系統運行可靠穩定。

5）提供標準RS-232／RS-485通信接口，可以通過外置GPRS DTU實現現場采集信號與監控中心PC機定時多點遠距離無線傳輸。

6）通過標準JTAG接口實現程序代碼下載和在線調試。

7）在無數據傳輸請求時，GPRS DTU及微處理器工作在低頻模式，同時切斷傳感器電源以降低功耗。

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

圖2 下位機硬件系統設計示意圖

2.2 數據采集儀軟件設計方案

充分考慮到與硬件體系的有機結合，利用MSP430F1611的優異特性實現對提升機制動系統各參數的準確測量。系統軟件由模塊組成，通過各模塊間子程序的調用，使程序更合理，更具有可讀性。

系統軟件主要由主程序、油溫數據采集程序、油壓數據采集程序、閘瓦間隙位移數據采集程序、閘瓦溫度采集程序、報警程序、實時時鐘程序、鍵盤和LCD液晶顯示程序、SD卡存儲程序、數據接收與發送程序等模塊構成。

主程序的具體工作流程如圖3所示。

圖3 主程序設計流程示意圖

系統對各個模塊初始化后，根據變量yLCD的當前值在屏幕中分別顯示時間、油溫、油壓、閘瓦間隙、閘瓦溫度。當時鐘芯片的中斷程序置位后，主程序進行提升機制動系統各參數的采集，并將數據存儲到時鐘芯片EEPROM和SD卡內，同時向中心管理微機發送當前數據值，最后返回顯示。

3 數據的無線傳輸格式

本系統選用GPRS無線方式傳輸監測數據，在信號的傳輸過程中，干擾和噪聲是隨機產生的，可能是任意字節的組合。為了更好的分辨噪聲和有效數據，采用Unicode編碼技術［5］，定義的數據傳輸格式如表1所示。

表1 數據的傳輸格式

3.1 監測中心命令幀

1）實時查詢命令

格式：幀頭＋制動器編號＋查詢命令

代碼舉例：CX＋A＋67E58BE2

翻譯：查詢制動器A當前的實時數據，并返回中心站。

2）歷史查詢命令

格式：幀頭＋制動器編號＋查詢命令＋查詢時間

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

翻譯：查詢11年08月12日17點15分的歷史數據，并返回中心站。

3.2 返回數據幀

格式：幀頭＋制動器編號＋查詢時間

代碼舉例：CX＋A＋31313038313031333334

翻譯：返回制動器A于11年08月10日13點34分的監測數據。其結果為液壓油溫度：34.25℃；液壓油壓力：0.71MPa；閘瓦間隙：1.27mm；閘瓦溫度：73.30℃。

4 實驗結果與數據分析

筆者利用本系統以纏繞式提升機為試驗臺，對提升機的油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度等物理量進行了監測，分析結果如下。

4.1 液壓油壓力測試與分析

圖4顯示為液壓油壓力在0～30min之間的數據分布，圖中數據基本穩定在0.60MPa之間，說明該時間段內壓力處于正常水平。

圖4 制動器液壓油壓力曲線

4.2 制動器溫度與閘瓦溫度測試與分析

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，處于該溫度段的設備為正常工作狀態。

4.3 制動器閘瓦間隙位移測試與分析

根據《煤礦安全規程》，閘瓦間隙不得超過2.00 mm，但是在實際運行過程中，操作人員一般將其設定為1.50mm，使之既不影響制動效果，又不影響制動器的空動時間。圖6顯示為1～4號閘瓦在0～30min之間的間隙變化情況，從圖中數據看，1～3號閘瓦間隙的變化在1.30mm左右，而4號的變化在2.20 mm左右，已經超過了設定上限，系統將會立即報警提醒操作人員檢修調整閘瓦間隙至正常值。

圖5 制動器油溫與閘瓦溫度曲線

圖6 制動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驗數據，從實際運行來看該系統接收、顯示數據準確，能夠實時反映提升機制動器運行過程中相關油溫、油壓、閘瓦間隙和閘瓦溫度的參數信息，并能及時預警。系統的可靠性和實時性較高。

5 結論

設計了基于GPRS的礦用提升機制動器運行狀態參數無線監測系統的結構與硬件軟件，經過一段時間的試運行，相關監測數據能夠被準確的解碼、顯示、傳輸、存儲并及時報警。系統功能完善、運行狀態良好并具有一定的應用推廣價值。

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

［2］ 路金萍，閆巧枝，曲德臣.礦井提升機制動性能測試技術的應用［J］.煤礦機械，2006（9）：177-178

［3］ 雷汝海，王軍，趙振明.基于S7-300PLC的制動器閘瓦間隙監測裝置的設計［J］.工礦自動化，2007（4）：86-88.

［4］ 黃友銳，唐超禮，黃見，凌六一.礦井提升機遠程監控系統的設計與實現［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移動終端的GSM／GPRS無線通信的原理與實現［J］.計算機工程，2003（2）：137-139.