礦井提升機超載預警系統無線數據采集裝置的設計

王澤林 朱彥谞 張敬淇 朱昱霖 張宸毓

摘要：為解決礦井提升機運行過程中存在的超載提升，鋼絲繩受力不均等問題，設計了一款基于ARM的嵌入式礦井提升機超載預警系統。該系統采用先進的傳感技術、Sub-G無線通信技術、工業級嵌入式ARM微控制器技術，對數據進行實時采集和無線傳輸，實現提升機超載監測和鋼絲繩張力差監測，有效地避免事故的發生。由于礦井提升機屬移動設備，無線數據采集裝置只能用電池供電，因此整個系統的設計和選型皆遵循低功耗原則。

關鍵詞：ARM;低功耗;無線傳輸;數據采集;嵌入式

中圖分類號：TD76 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）07-0178-04

Design of Wireless Data Acquisition Device for

Overload Warning System of Mine Hoist

WANG Zelin，ZHU Yanxu，ZHANG Jingqi，ZHU Yulin，ZHANG Chenyu

（China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing? 100083，China）

Abstract：In order to solve the problem of overload hoisting and uneven force of wire rope in the operation process of mine hoist，an embedded overload warning system of mine hoist based on ARM is designed. The system adopts advanced sensor technology，Sub-G wireless communication technology and industrial embedded ARM microcontroller technology to realize real-time data acquisition and wireless transmission，realize overload monitoring of hoist and tension difference monitoring of wire rope，and effectively avoid accidents. Because the mine hoist is a mobile device，the wireless data acquisition device can only be powered by battery，so the design and selection of the whole system follow the principle of low power consumption.

Keywords：ARM;low power consumption;wireless transmission;data acquisition;embedded

收稿日期：2021-03-14

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金資助（C202004856）

0? 引? 言

礦井提升機是我國煤礦生產中一種使用較為頻繁的機械設備，為礦產的順利開采提供技術保障[1]。現代礦井都采用全自動重型礦井提升機，具有容量大、速度快的特點。但有些煤礦為了提高生產效率而超負荷運煤，這大大增加了礦井的危險系數，因此礦井提升機的安全運行問題日益得到重視[2]。

國家已經出臺了一系列標準，要求定期對礦井提升機進行檢修。但由于礦井提升機工作強度大，出現故障的時間不能確定，定期檢修并不能完全杜絕故障的發生;另外，檢修時提升機要停止工作，這樣會對生產過程造成一定的影響;并且檢修的時候需要對提升機進行拆卸，而頻繁的拆卸會損害提升機的性能，反而提高了故障的發生率。預警系統與傳統的定期檢修相比，大大降低了檢修成本，這對于確保提升機平穩運行，保證礦井的安全生產具有極其重要的意義[3]。因此通過技術手段對礦井提升機的安全運行進行實時監控，對故障及安全隱患進行及時預警，積極采取應對措施，是目前較為常用的故障診斷形式和方法[4]。

1? 系統結構設計

礦井提升機分為兩類，一種是纏繞式提升機，另一種就是現在礦井常用的摩擦式提升機[5]。本文的礦井提升機超載預警系統針對多繩摩擦提升機進行設計，由無線數據采集裝置和無線數據傳輸裝置兩部分組成。無線數據采集裝置安裝于提升箕斗上，實現對四個分鋼絲繩油缸和總鋼絲繩油缸的壓力采集、換算和傳輸。通過比較四個分鋼絲繩的拉力可判斷各鋼絲繩的受力是否均勻，避免因受力不均而導致墜落事故的發生，根據總鋼絲繩拉力判斷箕斗是否超重。無線數據傳輸裝置分別安裝在礦井頂部和底部，實現對采集數據的接收以及對無線數據采集裝置的喚醒。系統整體示意圖如圖1所示。

當一個箕斗到達礦井頂部時，系統觸發接近開關，將到達信號傳輸給地面上的傳輸裝置，后者通過CAN總線將信號傳輸給井底傳輸裝置。井底傳輸裝置隨即將位于井底的采集裝置喚醒，進行數據采集。采集過程中壓力傳感器將油缸壓力轉換為電壓信號，電壓信號經運算放大器和AD轉換器處理后傳輸給MCU。MCU將油缸壓力換算成相應的鋼絲繩拉力和提升機載荷，最后經無線模塊發送給礦井底部的無線數據傳輸裝置。傳輸裝置收到數據后予以應答，同時通過CAN總線將數據傳送給上位機實現實時監控。當箕斗離開地面一定距離后3秒內無法收到應答信號，采集裝置進入休眠模式等待下次喚醒以達到節電目的。無線數據采集裝置如圖2所示。

2? 系統硬件選型及電路設計

無線數據采集裝置的主要作用是采集箕斗的重量，并將所采集的重量數據傳輸給井下無線數據傳輸裝置。同時采用高精度電源為模數轉換芯片提供基準電壓，提高了數據的可靠性。無線數據采集裝置結構圖如圖3所示。

以下為系統硬件選型：

（1）壓力傳感器。采用MIK-P300壓力傳感器，該壓力傳感器的壓力核心采用高性能的硅壓阻式壓力充油芯片，內部的專用集成電路將傳感器毫伏信號轉化為標準電壓、電流或頻率信號，可以直接與計算機接口、控制儀表、智能儀表或PLC等連接。遠距離傳輸可以采用電流輸出。具有體積小，重量輕的優勢，全不銹鋼密封系統可以在腐蝕環境中工作，具有較高的抗震和抗沖擊性能。工作電源9～36 V，輸出電壓0～5 V，精度0.1% F.S。

（2）運算放大器。AD8606是單電源雙路運算放大器，單電源供電為2.7～5.5 V，額定溫度范圍為-40 ℃～+125 ℃擴展工業溫度范圍。主要性能指標為，低失調電壓65 μV（最大值）、低輸入偏置電流1 pA（最大值）、高開環增益1 000 V/mV。

電壓跟隨器是運算放大器的特例，是同向輸入、放大倍數為1的運算放大電路。具體接線是運放的同相端輸入，反相端和輸出短接。優點是輸入阻抗大，輸出阻抗小，還可以隔離前后級電路，消除它們之間的相互影響，可以作為模擬信號的采樣輸入。運算放大器1和2電路設計如圖4所示。

（3）ADC。LTC1408具有6個單獨的差分輸入，這能確保在同一時刻轉換所有鋼絲繩上的拉力，保證了系統的實時性和可靠性。同時LTC1408具有的14位精度能夠滿足實際情況下的精度要求。根據BIP引腳狀態的不同，該器件可對0～2.5 V單極輸入（或±1.25 V雙極輸入）實施差分轉換。任何模擬輸入均可擁有軌至軌擺幅，只要差分輸入范圍得以保持即可。LTC1408電路設計如圖5所示。

（4）MCU。LPC824M201JHI33芯片是一款基于ARM Cortex-MO+的低成本32位MCU系列器件，工作時CPU頻率高達30 MHz，支持最高32 kB閃存和8 kB SRAM。此外，該芯片還具有低功耗特點，可進行電源管理，在3.3 V供電下，休眠電流低至0.4 mA。配套外設：一個CRC引擎、四個I2C總線接口、三個USART（最多）、兩個SPI接口（最多）、一個多速率定時器、一個自喚醒定時器、一個帶PWM功能的狀態可配置定時器（SCTimer/PWM）、一個DMA、一個12位ADC、一個模擬比較器、功能可配置I/O端口（可通過開關矩陣配置）、一個輸入模式匹配引擎和29個通用I/O引腳（最多）。

（5）無線模塊。SI4438是一款高性能、低電流，ISM無線收發器，1.8～3.6 V的寬電壓供電范圍和低功耗，非常適合于電池供電應用中。SI4438內部集成有時分雙工（TDD）收發器，以分組交替的形式發送和接收數據，杰出的-124 dBm靈敏度，超高的+20 dBm輸出功率，實現了業界領先的144 dB鏈路預算，實現了擴展和高度可靠的通信鏈路。SI4438電路設計如圖6所示。

（6）EEPROM。本系統使用CAT1025存儲固定參數。CAT1025的電源監控電路和復位電路可在系統上、下電時保護存儲器和系統微控制器，防止掉電條件的產生。片內2k位的串行EEPROM構成16字節的頁。CAT1025包含1個精確的VCC監控測電路和2個開漏輸出。CAT1025還具有寫保護輸入功能。若要禁用寫操作，只需將WP與高電平相連即可。存儲器采用400 KHz的I2C總線接口，工作電壓范圍為2.7～5.5 V，16字節的頁寫緩沖區，1 000 000個編程/擦除周期，具有工業級及擴展的溫度范圍。

（7）基準電壓源。ADR4550具有高精度、低輸出噪聲和出色的溫度穩定性。采用8引腳SOIC封裝，可提供較寬的輸出電壓范圍。主要性能指標：標稱電壓5 V，輸入電壓范圍3～15 V，初始精度±0.02%（最大值），工作溫度范圍-40 ℃～+125 ℃，950 μA的最大工作電流和300 mV的最大低壓差。

（8）LDO。LP2992AIM5-5.0/NOPB（5 V），將蓄電池的12 V電壓變為5 V，給運算放大器、ADC和基準電壓源供電。是具有使能功能的250 mA、16 V低壓降穩壓器。輸入電壓范圍為2.2～16 V，輸出電壓可選1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V、5 V。

LP5907QMFX-3.3Q1，將5 V電壓變為3.3 V，給MCU、無線模塊和ADC供電。輸入電壓范圍2.2～5.5 V，輸出電壓范圍1.2～4.5 V。

3? 系統軟件設計

系統的軟件設計同樣遵循低功耗原則，主要體現在礦井提升機在提升過程中無須進行數據采集，此時系統會進入休眠模式以達到節電目的，與低功耗的硬件選型相互配合，構成了整個系統的低功耗設計。

系統上電之后首先進行系統初始化，然后進入休眠模式等待喚醒。當一個箕斗到達礦井頂部時，相應的另一個箕斗會到達礦井底部開始裝載。箕斗在到達礦井頂部時會觸發接近開關，將到達信號傳輸給地面上的傳輸裝置，地面上的傳輸裝置通過CAN總線將信號傳輸給井底傳輸裝置。井底傳輸裝置隨即發送喚醒信號。井底采集裝置收到喚醒信號后，MCU將控制壓力傳感器進行數據采集，采集到的數據經過ADC模數轉換后交給MCU處理，最后通過無線模塊發送，同時開啟定時器。井底傳輸裝置若成功接收到數據則會發送一個應答信號，若在3秒內收到接收裝置的應答，定時器清零并進入下一次的數據采集過程，否則進入休眠模式，等待再次喚醒。程序流程圖如圖7所示。

4? 結? 論

通過采用SI4438無線模塊進行無線數據傳輸解決了礦井提升機這一移動設備布線難的問題。同時由于礦井提升機是移動設備故系統只能使用電池供電，因此無論是硬件選型還是軟件設計，都充分考慮到低功耗原則，在無須采集數據時系統會進入低功耗模式，有效地減少了電池更換的頻率。系統采用工業級芯片設計，穩定可靠，適應煤礦惡劣的工業現場環境。本產品與同類產品相比，競爭力更強，具有比較廣闊的市場發展前景。

參考文獻：

[1] 任文超.礦井提升機檢修及常見故障分析與處理 [J].現代制造技術與裝備，2019（4）：160-161.

[2] 郭忠彬.分析礦井提升機的檢修、常見故障與處理 [J].當代化工研究，2019（9）：8-9.

[3] 楊亞濤.礦井提升機監測與故障診斷系統研究 [D].西安：西安科技大學，2013.

[4] 王建軍，武秋俊，王晉濤.基于自適應神經網絡的礦井提升機故障診斷 [J].煤礦機械，2020，41（4）：162-164.

[5] 王朋.提升機鋼絲繩張力監測系統張力傳感器與測力裝置的研發 [D].邯鄲：河北工程大學，2015.

作者簡介：王澤林（2000—），男，漢族，重慶人，本科在讀，研究方向：信息工程。