智能化提升機制動系統監測裝置的設計

王立剛

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

近年來，隨著采煤技術、采煤工藝以及綜采設備自動化水平的不斷提升，綜采工作面的采煤效率得到飛速的提升，進而對綜采設備的可靠性和安全性提出了更高的要求。煤礦提升機為綜采工作面主要運輸設備之一，其主要承擔將工作面人員、物料以及設備運輸到地面的任務。提升機的安全性在一定程度上由其制動系統的性能所決定。在實際生產中，提升機若不能在設備出現故障時及時制動，不僅會導致設備的損壞，更嚴重的還會造成人員傷亡等事故[1]。為了確保提升機制動系統的性能，需對其制動器的工況參數進行實時監測，從而得出及時的故障報警信號并第一時間內消除隱患。本文著重對智能化提升機制動系統監測裝置進行設計，具體闡述如下。

1 提升機制動系統監測裝置的總體方案設計

提升機在實際提升任務中由于制動器故障及性能不佳所導致的故障有斷繩、過卷、滑動等。經研究可知，造成上述事故的原因主要包括有兩種：一是制動系統不能在提升任務結束時可靠地將設備制動；二是在減速階段不能參與提升機的速度控制，不能確保提升設備的安全制動。

本文主要以多繩摩擦式提升機為研究對象。提升機制動系統主要由制動器和傳動機構組成，且制動器根據其結構形式不同可分為單面閘、雙面閘、單活塞閘、雙活塞閘等。為準確掌握提升機制動系統的運行參數，基于本文所設計的監測裝置通過對閘瓦間隙、油溫、油壓、端面跳動量等參數進行監測[2]。監測裝置由上位機和下位機兩部分組成。其中，上位機的主要功能是對下位機所獲取的參數進行讀取、分析并管理；下位機的主要功能是對提升機制動系統閘瓦間隙、油溫、油壓、端面跳動量等參數進行采集、存儲并顯示。

1.1 提升機制動系統監測裝置硬件的總體設計方案

根據提升機制動系統的工作任務和要求，為監測裝置配置的硬件主要包括有傳感器、信號調理電路、通信模塊、計算機以及單片機等。提升機制動系統監測裝置根據其模塊功能的不同可分為數據采集調理模塊、電源模塊、數據存儲模塊、通信電路模塊和輸入輸出模塊。監測裝置的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 監測裝置硬件組成框圖

如圖1 所示，監測裝置中電感、渦流、油壓、油溫等傳感器對制動系統的對應參數進行采集，經調理電路后送至單片機處理器中，并經單片機對采集到的數據進行處理分析后通過顯示屏顯示輸出，通過計算機對采集到的數據進行處理[3]。

1.2 提升機制動系統監測裝置軟件的總體設計方案

針對提升機制動系統監測裝置的軟件設計，通過Keil 編程環境對下位機的軟件進行編寫；基于LabVIEW 平臺對上位機的軟件進行編寫，實現對數據的分析、處理和存儲。上位機軟件和下位機軟件的功能如下頁圖2 所示。

圖2 上位機、下位機軟件功能

如圖2 所示，下位機軟件主要實現數據采集模塊、數據調理模塊、數據存儲模塊、輸入輸出模塊以及數據通信模塊的功能；上位機軟件主要完成通訊軟件、數據管理的設計，基于數據管理對提升機制動系統的數據進行分析[4]。

2 提升機制動系統監測裝置的硬件設計

2.1 硬件設計原則

根據制動系統的功能需求完成監測裝置的硬件設計，本監測裝置硬件設計時需注意以下實現：確保監測裝置軟硬件的合理劃分；監測裝置應盡可能選用集成電路，實現硬件的簡化設計；監測裝置的硬件應根據其功能進行分類劃分，實現硬件的模塊化設計；鑒于監測裝置應用的環境相對惡劣，要求監測裝置具有較強的抗干擾性能。

2.2 監測裝置硬件的選型

1）主控芯片的選擇。主控芯片是監測裝置的核心，其承擔著對傳感器所采集到數據進行處理、分析、顯示、存儲以及通信等功能。因此，所選型的主控芯片在保證可靠性的基礎上，要求其具有較強的數據處理能力，確保監測裝置各項功能均能夠實現。綜合分析，所選型的主控芯片為C8051F310 單片機，該單片機隸屬于51 系列單片機，具有極高的性價比。

2）傳感器的選型。傳感器作為監測裝置的重要部件，其承擔著對提升機制動系統各項參數的實時采集。為保證所獲取數據的準確性和實時性，要求傳感器具有較高的靈敏度、響應特性、線性范圍和可靠性[5]。監測裝置主要是對提升機制動器閘瓦間隙、制動油溫、制動油壓、端面跳動量的參數進行實時監測，與其相匹配的傳感器及其具體參數如表1 所示。

3 提升機制動系統監測裝置的軟件設計

提升機制動系統監測裝置的軟件設計包括單片機（下位機）和PC 機（上位機）的軟件設計。其中，單片機的軟件基于C 語言進行編寫；PC 機的軟件采用LabVIEW 進行編寫。下位機主要功能是對數據進行采集、存儲、通信以及輸出輸入；上位機的主要功能是實現與下位機的通信，對采集到數據進行讀取和管理。

表1 監測裝置傳感器及具體參數

3.1 上位機軟件的設計

根據提升機制動系統監測裝置上位機軟件的功能要求，為上位機設計如圖3 所示的軟件結構圖。

圖3 上位機軟件結構圖

如圖3 所示，上位機軟件采用LabvIEW 平臺進行開發設計，根據上位機的功能要求設計5 個VI 結構，并對每個VI 下的子功能軟件進行設計。

3.2 下位機軟件的設計

下位機軟件的設計主要包括有應用程序的流程設計和程序代碼的調試。根據提升機制動系統的功能要求，為下位機設計兩種工作方式。其中，基于方式1 通過上位機和下位機的聯機工作實現對參數的采集；基于方式2 僅通過下位機實現對制動系統參數的采集。下位機的軟件設計流程如圖4 所示。

圖4 下位機軟件流程圖

4 結語

提升機作為綜采工作面的主要運輸設備，其安全性和可靠性直接決定綜采工作面煤炭的生產效率和作業人員的安全。制動系統的工作狀態是反應提升機安全性和可靠性的關鍵，在實際生產中由于無法實時、準確獲取制動系統的運行參數導致提升機運行存在極大的安全隱患。為此，基于單片機設計了提升機制動系統的監測裝置，并基于LabVIEW 和C語言環境設計了上位機和下位機的軟件。