煤礦井下防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊 驍

（晉能集團(tuán)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦井下必不可少的構(gòu)成部分，可以劃分成為有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸兩種，有軌運(yùn)輸在實(shí)踐應(yīng)用過程中受到很多限制，在很多場(chǎng)合無法滿足實(shí)際使用需要[1]。無軌運(yùn)輸以其顯著的優(yōu)勢(shì)越來越受到煤礦行業(yè)的關(guān)注，在現(xiàn)代化大型煤礦中，防爆無軌膠輪車是非常重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備[2]。但由于煤礦井下工作環(huán)境比較特殊，對(duì)防爆無軌膠輪車運(yùn)行的安全性提出了更加嚴(yán)格的要求[3-4]。由于我國對(duì)防爆無軌膠輪車在煤礦井下的應(yīng)用研究相對(duì)較晚。導(dǎo)致防爆無軌膠輪車在安全方面存在一定隱患，嚴(yán)重威脅著煤礦井下的安全生產(chǎn)。因此為提升防爆無軌膠輪車運(yùn)行安全性，設(shè)計(jì)研究了一套安全系統(tǒng)，可有效保障車輛的運(yùn)行安全，避免出現(xiàn)各種安全事故[5-6]。

1 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為保障防爆無軌膠輪車安全，需對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。要檢測(cè)的數(shù)據(jù)類型較多，不同數(shù)據(jù)類型格式存在差異。因此，需將不同格式的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化處理，再輸入到控制系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防爆無軌膠輪車的安全控制。如圖1 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體框架圖。

1.1 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)判斷防爆無軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)的根本和前提。數(shù)據(jù)采集模塊的作用就是對(duì)防爆無軌膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)、井內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊刃畔⑦M(jìn)行采集，需要采集數(shù)據(jù)信息具體見圖1?？梢钥闯?，需采集的數(shù)據(jù)信息種類非常多，對(duì)每種數(shù)據(jù)信號(hào)都需要采用對(duì)應(yīng)的專業(yè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)收集。因此，最終得到的數(shù)據(jù)信息格式也存在差異。傳感器可以分成為模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳感器兩類。由于控制器只能識(shí)別數(shù)字量信號(hào)。所以，模擬信號(hào)傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息需要通過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能夠輸入到控制器中進(jìn)行分析和處理。數(shù)字信號(hào)傳感器采集得到的就是數(shù)字信號(hào)，能夠直接輸入到控制器中進(jìn)行處理，不需要對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

圖1 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)總體框架圖

1.2 控制功能

控制器的功能就是對(duì)各個(gè)專業(yè)傳感器采集得到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。對(duì)每個(gè)需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)，可根據(jù)煤礦井下具體情況，提前在控制器內(nèi)設(shè)置一個(gè)安全閾值?？刂破鲗鞲衅鳈z測(cè)收集的信號(hào)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的安全閾值進(jìn)行比較分析。檢測(cè)信號(hào)如果在安全閾值范圍內(nèi)認(rèn)為是安全的，如果檢測(cè)信號(hào)超過了安全閾值就認(rèn)為存在危險(xiǎn)?？刂破鞲鶕?jù)處理分析結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)的控制量，以達(dá)到控制的目的?？刂破魍ㄟ^防爆無軌膠輪車蓄電池直接進(jìn)行供電。

1.3 結(jié)果響應(yīng)

響應(yīng)控制模塊由控制裝置、聲光報(bào)警系統(tǒng)以及顯示器構(gòu)成。傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過控制器處理后，可以被實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，以供工作人員觀察，進(jìn)而判斷防爆無軌膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)信息超過了安全閾值時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)控制信號(hào)，此時(shí)，聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲音和燈光進(jìn)行報(bào)警，以提醒工作人員。此外，還會(huì)對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)控制，比如將車輛進(jìn)行熄火處理等。

2 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如圖2 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)硬件組成。由圖可知，安全系統(tǒng)由多個(gè)硬件模塊構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用嵌入式思路，由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，為確保數(shù)據(jù)檢測(cè)、傳輸和處理過程的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了抗干擾電路。以下對(duì)防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)中涉及到的主要硬件部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)硬件組成

2.1 控制器型號(hào)的選擇

本文設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)屬于嵌入式系統(tǒng)。因此，需要采用嵌入式芯片作為控制器?？晒┻x擇的控制器類型主要包括PLC、ARM 和DSP。在綜合考慮各種類型控制器性能以及本系統(tǒng)實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，最終選擇ARM嵌入式微處理器作為安全系統(tǒng)的控制器。具體型號(hào)為S3C2440A，這種類型的控制器非常適用于車載系統(tǒng)，在該領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用前景。ARM嵌入式微處理器由三星公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)制作，采用的是ARM920T 核心，性能優(yōu)越。

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由防爆無軌膠輪車蓄電池進(jìn)行供電，蓄電池輸出電壓為12 V 直流電壓。安全系統(tǒng)中需要用到三個(gè)等級(jí)的電壓進(jìn)行供電，分別為5 V、3.3 V、1.25 V。因此，需要設(shè)計(jì)專門的電路對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行降低處理。其中需要用到調(diào)壓器，選用的型號(hào)為LM1117，調(diào)壓器對(duì)電流大小進(jìn)行了限制并且提供有熱保護(hù)功能。經(jīng)過調(diào)壓器處理后的輸出電壓誤差可以控制在1%范圍內(nèi)，利用鉭電容改善輸出端電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)使用需要不同，LM1117 型調(diào)壓器還可進(jìn)一步劃分成為多種類型。結(jié)合實(shí)際使用需要，最終選 用 的 類 型 包 括 LM1117-5.0、LM1117-3.3、LM1117-ADJ 型，分別可以實(shí)現(xiàn)12 V→5.0 V、5.0 V→3.3 V、3.3 V→1.25 V 的電壓轉(zhuǎn)變。

2.3 報(bào)警器硬件模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的報(bào)警器系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，分別為聲音系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)，通過聲音和燈光同時(shí)提示工作人員存在危險(xiǎn)。對(duì)應(yīng)的，報(bào)警系統(tǒng)的電路同樣由兩部分構(gòu)成，分別為蜂鳴器電路和LED 燈電路?？刂破鲗?duì)傳感器檢測(cè)收集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析后，如果認(rèn)為存在危險(xiǎn)就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器發(fā)出聲響和燈光。蜂鳴器可以分成為有源和無源兩種類型，兩種類型適用于不同場(chǎng)合。其中有源蜂鳴器的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)中選用這種類型的蜂鳴器。如圖3 所示為聲光報(bào)警系統(tǒng)的電路圖。

圖3 聲光報(bào)警系統(tǒng)的電路圖

3 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 安全系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

安全系統(tǒng)軟件開發(fā)在ADS1.2 編譯軟件中進(jìn)行。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序主要包含三大部分，分別為啟動(dòng)程序、數(shù)據(jù)分析程序、響應(yīng)控制程序。為了達(dá)到模塊化的效果，對(duì)每個(gè)程序單獨(dú)進(jìn)行編譯，方便日后的維護(hù)。

安全系統(tǒng)正式運(yùn)行時(shí)首先執(zhí)行啟動(dòng)程序，主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢過程中如果發(fā)現(xiàn)安全系統(tǒng)存在問題則系統(tǒng)無法正常啟動(dòng)。啟動(dòng)程序中還要實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的初始化。啟動(dòng)程序執(zhí)行完成后開始執(zhí)行數(shù)據(jù)分析程序。數(shù)據(jù)分析程序又主要由三大部分構(gòu)成，分別為DS18B20 程序、A/D 程序和ADCO809 程序。其中，DS18B20 程序的作用是接受來自傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)，A/D 程序則是對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)分析程序的作用是將傳感器檢測(cè)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)信息與系統(tǒng)中設(shè)置的安全閾值進(jìn)行比較分析。如果實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)超過了安全閾值，安全系統(tǒng)會(huì)輸出控制量，調(diào)用報(bào)警系統(tǒng)子程序。一方面對(duì)防爆無軌膠輪車進(jìn)行控制，避免車輛發(fā)生危險(xiǎn)；另一方面通過報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲響和燈光信號(hào)。而如果檢測(cè)信號(hào)在正常范圍內(nèi)時(shí)，則將結(jié)果顯示在顯示器中，響應(yīng)控制軟件程序由三部分構(gòu)成，分別為液晶顯示、聲光報(bào)警和控制程序。通過液晶顯示程序可以將防爆無軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息顯示在液晶顯示器中，通過聲光報(bào)警程序可以驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)生警告聲音和燈光，通過控制程序可以對(duì)防爆無軌膠輪車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。如下頁圖4 所示為防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)軟件程序流程圖。

圖4 防爆無軌膠輪車安全系統(tǒng)軟件程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)顯示程序的設(shè)計(jì)

本安全系統(tǒng)中，選用的是LRO43JC211 型顯示器顯示防爆無軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。顯示器中的圖像由多個(gè)像素構(gòu)成，每個(gè)像素可通過多個(gè)二進(jìn)制數(shù)來進(jìn)行表達(dá)。本系統(tǒng)選用的顯示器每個(gè)像素通過16個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行表達(dá)。顯示器的分辨率為480×272，即總共有272 行像素，每行像素包含480 個(gè)像素點(diǎn)，利用像素點(diǎn)可以組成不同的漢字進(jìn)行顯示。

4 結(jié)語

1）安全保護(hù)系統(tǒng)利用專業(yè)傳感器可對(duì)防爆無軌膠輪車運(yùn)行狀態(tài)信息、瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行實(shí)時(shí)采集并分析。具有良好的兼容性，可以對(duì)采集得到的不同格式數(shù)據(jù)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；

2）系統(tǒng)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研判，分析防爆無軌膠輪車的安全狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)存在安全隱患，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲音和燈光警告信息，工作人員通過警示信息可以快速定位故障問題并排除；

3）選用S3C2440A 型ARM 嵌入式微處理器，該型號(hào)控制器性能優(yōu)越且比較穩(wěn)定，非常適用車載系統(tǒng)。