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

胡愛(ài)保

（陽(yáng)泉煤業(yè)有限責(zé)任公司三礦， 山西 陽(yáng)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(duì)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(chē)組、提升鋼絲繩、絞車(chē)、斜巷安全措施和溝通信號(hào)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(chē)司機(jī)不能實(shí)時(shí)掌握軌道車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，軌道車(chē)在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)發(fā)生翻車(chē)、脫軌和斷繩現(xiàn)象，對(duì)車(chē)內(nèi)和巷內(nèi)人員安全造成極大威脅。

1 斜巷絞車(chē)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(chē)司機(jī)對(duì)軌道車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和車(chē)輛間的溝通交流。隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，煤礦信號(hào)系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前國(guó)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(hào)控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)幾十年。該系統(tǒng)由于其操作方便、抗干擾能力強(qiáng)，得到國(guó)外許多國(guó)家的引進(jìn)開(kāi)發(fā)。

目前，我國(guó)井下運(yùn)輸系統(tǒng)在井下提升信號(hào)控制系統(tǒng)方面已經(jīng)相當(dāng)完善，但是在斜巷提升信號(hào)控制系統(tǒng)[2]方面還存在一些漏洞和問(wèn)題。例如，工作面的操作人員和絞車(chē)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(chē)司機(jī)發(fā)出下放的信號(hào)時(shí)，工作面的工人可能向絞車(chē)司機(jī)發(fā)出上提的信號(hào)，此時(shí)位于斜井口的工作人員并不了解絞車(chē)運(yùn)行現(xiàn)狀，類(lèi)似的安全隱患還有很多。除此之外，我國(guó)的絞車(chē)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(dòng)化通訊系統(tǒng)不兼容。這也是大部分絞車(chē)司機(jī)和其他工作人員通訊發(fā)生錯(cuò)誤的原因。為了減少類(lèi)似的事故發(fā)生，煤礦井下斜巷運(yùn)輸控制系統(tǒng)勢(shì)必需要向智能化、全自動(dòng)的方向發(fā)展。

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

出于經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價(jià)值的考慮，本系統(tǒng)采用以單片機(jī)[3]為核心的信號(hào)控制系統(tǒng)。根據(jù)一般煤礦的井下斜巷設(shè)計(jì)，在保護(hù)系統(tǒng)中設(shè)置5 個(gè)單片機(jī)控制電路。分別控制上口、下口、分道口、車(chē)房的信號(hào)打點(diǎn)和顯示電路，以及信號(hào)處理電路。4 個(gè)功能單片機(jī)控制電路將信號(hào)傳輸至信號(hào)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(hào)處理電路將處理后的信息反饋到各個(gè)單片機(jī)控制電路。

為了滿(mǎn)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(chē)車(chē)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(tái)、斜井下口工作臺(tái)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(chǎng)分布圖如圖2 所示，車(chē)室的信號(hào)顯示器位于絞車(chē)房的操作臺(tái)側(cè)面，通過(guò)顯示器，司機(jī)可以迅速觀察到信號(hào)顯示。

該斜巷絞車(chē)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(wú)斜巷分道口控制器參與的工作。

圖2 模擬現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，要保證車(chē)輛信號(hào)的一致性。例如在斜巷分道口打出下行信號(hào)，斜道上口只能發(fā)出下行信號(hào)即“3”，斜道下口只能回應(yīng)。當(dāng)絞車(chē)開(kāi)車(chē)后，打點(diǎn)信號(hào)和總信號(hào)被清除而分道口的信號(hào)保持。當(dāng)絞車(chē)停車(chē)后，清除所有信號(hào)，等待下次打點(diǎn)。

2）無(wú)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(hào)，斜巷上口對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。若打點(diǎn)一致則系統(tǒng)發(fā)出操作信號(hào)，車(chē)室根據(jù)信號(hào)進(jìn)行操車(chē)。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入行駛模式，總信號(hào)和打點(diǎn)信號(hào)清除同時(shí)保持開(kāi)車(chē)信號(hào)。停車(chē)后所有信號(hào)清除并等待下次信號(hào)。打點(diǎn)信號(hào)根據(jù)“1 停，2 上，3 下”的原則。

3 絞車(chē)保護(hù)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工作原理，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)分為系統(tǒng)信號(hào)打點(diǎn)及顯示軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用OMRON 的MY4NJ DC 24 V 作為中間繼電器，信號(hào)燈均選用LA42P DC 24 V，信號(hào)打點(diǎn)及顯示電路采用AT89C2051 單片機(jī)，信號(hào)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(hào)打點(diǎn)及顯示軟件的設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器在檢測(cè)到打點(diǎn)信號(hào)后加一；當(dāng)?shù)竭_(dá)P3^3=1 時(shí)，對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)。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(hào)時(shí)，CD4060 也接收到一個(gè)復(fù)位信號(hào)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)大約1 s 后它的引腳輸出高電平結(jié)束打點(diǎn)信號(hào)。在計(jì)時(shí)1 s 內(nèi)，打點(diǎn)有效，超過(guò)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(dòng)繼續(xù)再檢查命令。當(dāng)檢測(cè)到打點(diǎn)數(shù)為零時(shí)，程序開(kāi)始讀取編碼，通過(guò)數(shù)碼管將編碼轉(zhuǎn)換為打點(diǎn)數(shù)。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)打點(diǎn)數(shù)的有效范圍為1～3，如果超出這個(gè)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(hào)處理程序

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

幾個(gè)子程序組成了信號(hào)處理程序。包括打點(diǎn)程序、中斷定時(shí)程序和清零程序。打點(diǎn)程序是在絞車(chē)停車(chē)狀態(tài)下調(diào)用，用來(lái)判斷上端和下端所發(fā)出的打點(diǎn)信號(hào)是否匹配。當(dāng)打點(diǎn)信號(hào)一致時(shí)，發(fā)出總信號(hào)。中斷程序是在下端打點(diǎn)后等待上端響應(yīng)時(shí)調(diào)用，設(shè)置時(shí)長(zhǎng)為30 s，若反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)30 s，信號(hào)清零。同理，在總信號(hào)發(fā)出指令后上下端30 s 沒(méi)有做出反應(yīng)，則信號(hào)清零。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)打點(diǎn)程序流程圖

圖4 系統(tǒng)信號(hào)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(jì)之后，分別對(duì)信號(hào)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(wèn)題：在信號(hào)處理中，車(chē)輛從工作到停止模式時(shí)，信號(hào)燈沒(méi)有變化。為了解決這個(gè)問(wèn)題在軟件中增加車(chē)輛停車(chē)位，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)停車(chē)位后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。將各個(gè)子程序結(jié)合起來(lái)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在兩組程序時(shí)間不一致問(wèn)題，由于打點(diǎn)信號(hào)處理裝置的時(shí)間間隔是內(nèi)置的，所以對(duì)信號(hào)處理裝置加裝定時(shí)，將程序時(shí)間定為1 s。

4 結(jié)語(yǔ)

為了解決我國(guó)現(xiàn)有的斜巷絞車(chē)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(chē)保護(hù)軟件。在車(chē)房、斜井上口、斜井中口和斜井下口四個(gè)位置進(jìn)行打點(diǎn)通信。將打點(diǎn)信號(hào)通過(guò)單片機(jī)對(duì)進(jìn)行處理分析，再通過(guò)輸出信號(hào)來(lái)反映絞車(chē)的狀態(tài)。這個(gè)系統(tǒng)有著連接簡(jiǎn)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(wèn)題。除此之外，需要考慮開(kāi)發(fā)備用系統(tǒng)（無(wú)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(lái)需要努力的方向。