一種絞車保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟件的設(shè)計

胡愛保

（陽泉煤業(yè)有限責(zé)任公司三礦， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭的運(yùn)輸系統(tǒng)由運(yùn)輸技術(shù)和運(yùn)輸設(shè)備組成，這些硬件和軟件系統(tǒng)的成效對煤炭行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。煤礦井下斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)是運(yùn)輸工作人員和物料的重要設(shè)備，是井下運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分。斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)[1]包括軌道、串車組、提升鋼絲繩、絞車、斜巷安全措施和溝通信號系統(tǒng)。在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)工作中，由于照明、地形、距離等條件限制，絞車司機(jī)不能實(shí)時掌握軌道車的運(yùn)行狀態(tài)，軌道車在運(yùn)行時可能會發(fā)生翻車、脫軌和斷繩現(xiàn)象，對車內(nèi)和巷內(nèi)人員安全造成極大威脅。

1 斜巷絞車保護(hù)現(xiàn)狀

作為井下的提升系統(tǒng)，斜巷運(yùn)輸系統(tǒng)由于地形復(fù)雜、空間狹小等特征，難以實(shí)現(xiàn)絞車司機(jī)對軌道車的實(shí)時監(jiān)控和車輛間的溝通交流。隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，煤礦信號系統(tǒng)也得到了長足的發(fā)展。目前國外相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在智利以PLC 為核心的煤礦斜井提升信號控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)營幾十年。該系統(tǒng)由于其操作方便、抗干擾能力強(qiáng)，得到國外許多國家的引進(jìn)開發(fā)。

目前，我國井下運(yùn)輸系統(tǒng)在井下提升信號控制系統(tǒng)方面已經(jīng)相當(dāng)完善，但是在斜巷提升信號控制系統(tǒng)[2]方面還存在一些漏洞和問題。例如，工作面的操作人員和絞車司機(jī)的通信不協(xié)調(diào)，溝通不一致。當(dāng)斜巷下口的工人向絞車司機(jī)發(fā)出下放的信號時，工作面的工人可能向絞車司機(jī)發(fā)出上提的信號，此時位于斜井口的工作人員并不了解絞車運(yùn)行現(xiàn)狀，類似的安全隱患還有很多。除此之外，我國的絞車控制系統(tǒng)往往是單獨(dú)存在的一套系統(tǒng)，與煤礦通信一體化的自動化通訊系統(tǒng)不兼容。這也是大部分絞車司機(jī)和其他工作人員通訊發(fā)生錯誤的原因。為了減少類似的事故發(fā)生，煤礦井下斜巷運(yùn)輸控制系統(tǒng)勢必需要向智能化、全自動的方向發(fā)展。

2 絞車保護(hù)系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)的設(shè)計

出于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價值的考慮，本系統(tǒng)采用以單片機(jī)[3]為核心的信號控制系統(tǒng)。根據(jù)一般煤礦的井下斜巷設(shè)計，在保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置5 個單片機(jī)控制電路。分別控制上口、下口、分道口、車房的信號打點(diǎn)和顯示電路，以及信號處理電路。4 個功能單片機(jī)控制電路將信號傳輸至信號處理電路進(jìn)行分析和處理，然后根據(jù)具體情況再由信號處理電路將處理后的信息反饋到各個單片機(jī)控制電路。

為了滿足在不同條件下的煤礦斜巷的保護(hù)要求，本文以模擬的煤礦斜巷[4]為例進(jìn)行分析。在絞車車室、斜井上口、斜井下口和斜井分道口分別設(shè)置顯示器、斜井上口工作臺、斜井下口工作臺和斜井分道口控制器。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如1 所示。

圖1 保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

模擬的斜井現(xiàn)場分布圖如圖2 所示，車室的信號顯示器位于絞車房的操作臺側(cè)面，通過顯示器，司機(jī)可以迅速觀察到信號顯示。

該斜巷絞車保護(hù)系統(tǒng)的工作原理分為有斜巷分道口控制器參與下的工作和無斜巷分道口控制器參與的工作。

圖2 模擬現(xiàn)場系統(tǒng)分布圖

1）有斜巷分道口控制器參與的工作。在有斜巷分道口控制器參與的工作時，要保證車輛信號的一致性。例如在斜巷分道口打出下行信號，斜道上口只能發(fā)出下行信號即“3”，斜道下口只能回應(yīng)。當(dāng)絞車開車后，打點(diǎn)信號和總信號被清除而分道口的信號保持。當(dāng)絞車停車后，清除所有信號，等待下次打點(diǎn)。

2）無斜巷分道口控制器參與的工作。根據(jù)斜巷下口的工作需要發(fā)出打點(diǎn)信號，斜巷上口對其進(jìn)行響應(yīng)。若打點(diǎn)一致則系統(tǒng)發(fā)出操作信號，車室根據(jù)信號進(jìn)行操車。當(dāng)車輛進(jìn)入行駛模式，總信號和打點(diǎn)信號清除同時保持開車信號。停車后所有信號清除并等待下次信號。打點(diǎn)信號根據(jù)“1 停，2 上，3 下”的原則。

3 絞車保護(hù)系統(tǒng)軟件的設(shè)計

根據(jù)上述工作原理，在設(shè)計軟件時分為系統(tǒng)信號打點(diǎn)及顯示軟件設(shè)計和系統(tǒng)信號處理軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用OMRON 的MY4NJ DC 24 V 作為中間繼電器，信號燈均選用LA42P DC 24 V，信號打點(diǎn)及顯示電路采用AT89C2051 單片機(jī)，信號處理電路的單片機(jī)采用AT89S52，供電電源由DC 24 V、DV 12 V 和DC 5 V 供電電路組成。

3.1 保護(hù)軟件信號打點(diǎn)及顯示軟件的設(shè)計

計數(shù)器在檢測到打點(diǎn)信號后加一；當(dāng)?shù)竭_(dá)P3^3=1 時，對當(dāng)前計數(shù)器數(shù)值進(jìn)行存儲。單片機(jī)的引腳與CD4060 的引腳相連[5]。當(dāng)單片機(jī)中輸入打點(diǎn)信號時，CD4060 也接收到一個復(fù)位信號并開始計時，經(jīng)過大約1 s 后它的引腳輸出高電平結(jié)束打點(diǎn)信號。在計時1 s 內(nèi)，打點(diǎn)有效，超過1 s 視為二次打點(diǎn)。其流程圖如3 所示。

在系統(tǒng)顯示程序中，先確認(rèn)系統(tǒng)中目前的打點(diǎn)數(shù)組是否為零。如果已記錄的打點(diǎn)數(shù)不是零，系統(tǒng)重新啟動繼續(xù)再檢查命令。當(dāng)檢測到打點(diǎn)數(shù)為零時，程序開始讀取編碼，通過數(shù)碼管將編碼轉(zhuǎn)換為打點(diǎn)數(shù)。在系統(tǒng)中設(shè)計打點(diǎn)數(shù)的有效范圍為1～3，如果超出這個范圍則系統(tǒng)返回第一層檢查數(shù)組是否為零。

3.2 軟件信號處理程序

系統(tǒng)的信號處理程序包括開車狀態(tài)和停車狀態(tài)。信號處理程序由8 路輸入信號和輸出信號組成，各端口的邏輯定義如圖4 所示。

幾個子程序組成了信號處理程序。包括打點(diǎn)程序、中斷定時程序和清零程序。打點(diǎn)程序是在絞車停車狀態(tài)下調(diào)用，用來判斷上端和下端所發(fā)出的打點(diǎn)信號是否匹配。當(dāng)打點(diǎn)信號一致時，發(fā)出總信號。中斷程序是在下端打點(diǎn)后等待上端響應(yīng)時調(diào)用，設(shè)置時長為30 s，若反應(yīng)時長超過30 s，信號清零。同理，在總信號發(fā)出指令后上下端30 s 沒有做出反應(yīng)，則信號清零。

圖3 系統(tǒng)信號打點(diǎn)程序流程圖

圖4 系統(tǒng)信號處理電路端口邏輯定義

3.3 軟件程序的調(diào)試

在完成軟件設(shè)計之后，分別對信號處理程序和打點(diǎn)程序進(jìn)行調(diào)試。發(fā)現(xiàn)以下一些問題：在信號處理中，車輛從工作到停止模式時，信號燈沒有變化。為了解決這個問題在軟件中增加車輛停車位，當(dāng)車輛到達(dá)停車位后系統(tǒng)自動復(fù)位。將各個子程序結(jié)合起來調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)存在兩組程序時間不一致問題，由于打點(diǎn)信號處理裝置的時間間隔是內(nèi)置的，所以對信號處理裝置加裝定時，將程序時間定為1 s。

4 結(jié)語

為了解決我國現(xiàn)有的斜巷絞車存在的安全隱患，從煤炭生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)，提出了一套新的斜巷絞車保護(hù)軟件。在車房、斜井上口、斜井中口和斜井下口四個位置進(jìn)行打點(diǎn)通信。將打點(diǎn)信號通過單片機(jī)對進(jìn)行處理分析，再通過輸出信號來反映絞車的狀態(tài)。這個系統(tǒng)有著連接簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。但是采用的裝置設(shè)備也存在穩(wěn)定性和抗干擾性需要進(jìn)一步提高的問題。除此之外，需要考慮開發(fā)備用系統(tǒng)（無人化智能化），以防出現(xiàn)故障而影響整體工作。這也是筆者和煤炭從業(yè)者將來需要努力的方向。