煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

許建紅

（西山煤電集團有限責(zé)任公司官地煤礦運輸區(qū)， 山西 太原 030022）

引言

煤礦井下輔助運輸包括小型設(shè)備、材料、矸石等物料的輔助運輸，如5 t、7 t、10 t 等輔助鏟運機；包括井下人員的輔助運輸，如7 座、19 座運人車；還包括對綜采工作面液壓支架等作業(yè)設(shè)備的輔助運輸，如80 t 支架搬運車等。煤礦井下輔助運輸車是井下運輸系統(tǒng)的重要組成部分，隨著國家節(jié)能減排政策的不斷深入，煤礦井下輔助運輸系統(tǒng)逐漸由柴油驅(qū)動向電驅(qū)動轉(zhuǎn)換，極大改善井下勞動環(huán)境[1-2]。為保證井下輔助運輸車安全、高效、有序運行，運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)成為亟需解決的問題。煤礦輔助運輸車監(jiān)控系統(tǒng)從控制方式上分析，可采用分站結(jié)構(gòu)、集控結(jié)構(gòu)，利用計算機串行總線通訊模式進行數(shù)據(jù)、故障信息采集。從主控制器類型上分析，可分為基于PLC控制器、基于微機控制器、基于單片機的三種監(jiān)控系統(tǒng)，其中單片機監(jiān)控模式抗干擾能力差、環(huán)境適應(yīng)性差。微機監(jiān)控模式對主機的運行環(huán)境較苛刻，靈活性不夠。PLC 控制器模式抗干擾能力強，能適應(yīng)煤礦井下惡劣環(huán)境；可直接驅(qū)動負載，提高信號傳輸?shù)目煽啃裕粷M足輔助運輸車控制要求，可實現(xiàn)自動、就地、集中三種控制模式[3-5]。文章基于控制器技術(shù)，設(shè)計煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)，可長期高效、穩(wěn)定運行于煤礦井下，提高輔助運輸車的安全性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)輔助運輸車高效率運行。

1 總體設(shè)計

煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)在車輛運行時，實時采集運輸車運行數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器處理、比較后控制運輸車進行相應(yīng)的動作，如前進、后退、加速、減速、轉(zhuǎn)向等。煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)由電源模塊、數(shù)據(jù)信號采集模塊、主控器模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及邏輯控制模塊五部分組成，完成輔助運輸車的智能監(jiān)控，總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 煤礦輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 電源模塊

根據(jù)運輸車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要求，電源模塊需要提供DC24V、DC12V 以及DC5V 三種電源，分別為控制器、傳感器以及噪聲調(diào)理電路供電，增加電源隔離模塊，提高電源供電的穩(wěn)定性。

1.2 數(shù)據(jù)信號采集模塊

數(shù)據(jù)信號采集模塊主要采集用于運輸車監(jiān)控的傳感器模擬量數(shù)據(jù)，如用于檢測電動機的電壓、電流傳感器，用于檢測車速的速度傳感器，用于檢測車廂溫度的溫度傳感器等。為減小模擬量信號的干擾，設(shè)計降噪電路，提高模擬量信號的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)信號采集還需采集用于控制車輛的開關(guān)量信號，如前進、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速等。上述所有數(shù)字量、模擬量信號都由PCM-3718H 數(shù)據(jù)采集卡采集，并通過總線通信方式發(fā)送給運輸車的主控制器模塊。

1.3 主控制器模塊

主控制器模塊是運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心模塊，用于接收并輸出信號采集模塊的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的判斷并參與邏輯控制。主控制器根據(jù)判斷結(jié)果對車輛進行控制。主控制器模塊的核心CPU 采用PCM-3370 微控制器，并擴展液晶顯示、串口、網(wǎng)絡(luò)接口等用于數(shù)據(jù)的傳輸。

1.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊用于實時顯示并更新運輸車的各監(jiān)測量以及故障信息，及時掌握運輸車的運行狀態(tài)。

1.5 邏輯控制模塊

邏輯控制模塊主要完成運輸車的邏輯控制，如控制車輛前進、后退、加減速、轉(zhuǎn)向等，驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥工作，在動作的同時發(fā)車語音聲光報警，保證運輸車動作的安全性。

2 硬件設(shè)計

煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件元器件主要包括核心控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電磁閥、溫度傳感器、壓力傳感器、車速傳感器、氣體濃度傳感器等。核心控制器選用PCM-3370 微控制器，該控制器的CPU 采用的是奔騰933 微處理器，支持系統(tǒng)內(nèi)存幀緩沖，處理時延小、響應(yīng)速度快，滿足輔助運輸車的控制性能要求。數(shù)據(jù)采集模塊選用的型號為PCM-38718H，該數(shù)據(jù)采集模塊的精度為12 位，支持8 路差分或16 路單端模擬量輸入信號并可通過軟件編程自定義增益，輸入模擬量信號可為0～10 V、0～1 V、0～0.1 V 單極性電壓信號，10 V、5 V、1 V 雙極性電壓信號；支持12 位D/A、A/D 轉(zhuǎn)換，采樣頻率最高位100 kHz，可采用DMA 傳輸。傳感器選型見表1所示。

表1 煤礦輔助運輸智能監(jiān)控系統(tǒng)傳感器型號選型

3 軟件設(shè)計

根據(jù)煤礦輔助運輸車總體設(shè)計，將煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)初始化及啟動程序、數(shù)據(jù)信號采集程序、主控制器數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)顯示處理程序以及邏輯控制程序五部分，圖2 為煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

圖2 煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

3.1 系統(tǒng)初始化及啟動程序

主要完成系統(tǒng)初始化工作，包括設(shè)置各路傳感器的閾值、程序中用到的變量/內(nèi)存、硬件接口，同時還需完成對數(shù)據(jù)采集卡的初始化工作。

3.2 數(shù)據(jù)信號采集程序

主要完成周期性的采集溫度、壓力、車速、CO 氣體濃度、瓦斯氣體濃度等傳感器模擬量數(shù)據(jù)，需周期性采集的還包括“前進”“后退”“左轉(zhuǎn)”“右轉(zhuǎn)”等運輸車控制開關(guān)量信號等，分別存儲至RAM 或者EXPROM 數(shù)據(jù)存儲器中。

3.3 主控制器數(shù)據(jù)處理程序

主要以CAN 總線通信模式接收數(shù)據(jù)信號采集程序傳送的模擬量、開關(guān)量數(shù)據(jù)，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時完成模擬量數(shù)據(jù)超限判斷、開關(guān)量數(shù)據(jù)延時處理。

3.4 數(shù)據(jù)顯示處理程序

主要完成輔助運輸車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置信息、故障信息等數(shù)據(jù)的實時顯示。

3.5 邏輯控制程序

主要完成CAN 總線通信的建立、維護以及數(shù)據(jù)傳送，完成對輔助運輸車的整車控制，自動故障報警等。

4 監(jiān)控平臺設(shè)計

為驗證設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)的運行品質(zhì)，對監(jiān)控系統(tǒng)進行測試。測試前，根據(jù)總體設(shè)計要求，將PCM-3370、PCM3718H、各傳感器、電源裝置等進行電氣連接。設(shè)計的監(jiān)控平臺系統(tǒng)包含登錄界面、系統(tǒng)自檢界面、數(shù)據(jù)顯示界面、故障報警界面以及數(shù)據(jù)歷史查詢界面等。如下頁圖3 所示為數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，可實時顯示輔助運輸車溫度值、氣體濃度值、車速、冷卻水水位、機油壓力等。同時對該數(shù)據(jù)可進行復(fù)位、保存、退出等操作。

圖3 煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

5 結(jié)語

設(shè)計的煤礦輔助運輸車智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動監(jiān)測車輛運行狀態(tài)信息以及故障信息，通過CAN 總線通訊模式將傳感器數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺，為及時掌握輔助運輸車運行、故障信息提供依據(jù)，加快提升煤礦井下輔助運輸車自動化、智能化水平，提高輔助運輸車的安全運行水平和運行效率。