矿井旋转编码器深度指示器研究

高圆

（国网郑州供电公司，河南　郑州　450000）

矿井旋转编码器深度指示器研究

高圆

（国网郑州供电公司，河南郑州450000）

由于传统深度指示器（圆盘式与牌坊式）存在示值精确度低、功能单一、可靠性差等问题，本文提出对新型深度指示器的探究。通过与光电式深度指示器的类型对比，得出旋转编码器在深度指示器中的优势所在，并将该旋转编码器应用于矿井中的深度指示器。通过软硬件设计及实验，证明了该方法的可行性。旋转编码器深度指示器精确度高，具有测量与监控功能，实时监控矿井提升机的位置。通过对提升机位置的精准测量来实时地监测提升容器在井筒中的位置，实现提升机在上提与下放过程中的限位与过卷保护以及对提升机加减速的控制，防止安全隐患的发生，为提升机的安全运行以及设备利用率和安全可靠性的提高奠定基础。

深度指示器；旋转编码器；PLC

矿井提升机作为矿山企业的重要设备，对矿山的安全、高效生产和经济运营具有非常重要的作用。深度指示器作为矿井提升机的一个重要组成部分，如何实现精确、实时地监测井筒中提升容器的位置，确保提升机的安全运行，以及实现提升机安全、准确减速停车成为矿山企业安全生产的重大研究课题。

深度指示器主要用于显示井筒中提升容器的相对位置。当提升容器的当前位置值与井底或井口停车位置值接近时，发出减速信号使提升机构低速运行；当提升容器的当前位置值与设置的过卷位置值一致时，提升机构立即切断电机电源，启动电机安全制动装置，并发出警报，使电机快速停止，避免发生安全事故。旋转编码器深度指示器，不仅能够精确可靠地测量提升容器在井筒中的相对位置，还能够对矿井提升机进行过卷、提升绳打滑、蠕动及拉伸变形的检测与显示以及控制加减速，具有良好的适应性与可靠性。

目前，国内常用的矿井深度指示器有圆盘式与牌坊式两种。因为它们都是根据直接从主轴上获取信号来推测提升容器在井筒中的相对位置值，且易受钢丝绳打滑或蠕动的影响，故此深度指示器的测量精度低、可靠性差，对该提升机的准确加减速、限速、停车及该提升机系统的安全、高效运行带来较大隐患。国内目前正在研究或使用的深度指示器除了圆盘式与牌坊式深度指示器外，还有光电编码盘深度指示器、电压模拟式、钢丝绳充磁式、光电测距式及激光深度指示器。本文主要对光电式深度指示器进行研究与分析。

1　光电式深度指示器类型对比

按照测距方法的不同，光电深度指示器可分为多种类型，其中包含高速雷达测距、超声波测距、激光与红外线等测距方法的深度指示器［1］。高频雷达测距方法直接测距、准确可靠，但其技术复杂，易受外界环境等因素的影响［2］。超声波测距方法，超声波在空气中传播速度小；但受温度和气候条件的影响，在复杂的矿井工作环境下发射波信号衰减严重，使系统灵敏度降低，测距误差大，测距精确度低。红外线测距方法技术简单，应用范围广，但其测量精度易受到矿井复杂工作环境影响。激光方向性好、测量量程大，但在矿井复杂的工作环境下，激光可能会被吸收而导致测距存在误差甚至致使测距失败［1］。

2　旋转编码器深度指示器测距原理

2.1旋转编码器测距原理

旋转编码器分为增量式、绝对式和混合式3种，由于增量式编码器存在零点累计误差，抗干扰能力较差，接收设备的停机需断电记忆，开机应需找零或参考位等问题，故本文采用绝对式旋转编码器进行测距。

绝对式旋转编码器是采用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换。绝对式编码器，其圆形码盘上沿径向有同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目成双倍关系，码盘上的码道数即它的二进制数码的位数。在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件依据是否受光照转换出相应的电平信号，形成二进制数。绝对式与增量式编码器差别在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置，在转轴的任何位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。编码可采用二进制码、循环码等进行设计。其特点是：①当停电或关机后，再开机重新测量时，由于绝对零位代码的存在，仍能准确地读出停电或关机所处位置的代码，并准确地找到零位代码；②轴旋转时，有与位置对应的代码（二进制、BCD码等）输出，无需判向电路，根据代码大、小的改变，即可判别正反方向和位移所处的位置；③可以直接读出角度坐标的绝对值；④没有累积误差；⑤电源切除后位置信息不会丢失；⑥格雷码每次只变化一位；⑦旋转编码器的格雷码也是循环码，其最高位与最低位同样遵循只变化一位的规律。

这种编码器不需要计数器，在转轴的任何位置都能够读出一个固定的与位置相对应的数字码。另外，分辨率的高低与码道的数目呈正比。

2.2旋转编码器深度指示器的控制系统

2.2.1控制系统原理。该深度指示器采用PLC作为主控制器，控制系统的组成部分如图1所示，分别控制显示屏、深度指示器失效保护装置及变频器。通过变频器来控制电机以此来控制提升容器上升或下降的速度，通过电机带动旋转编码器的转动来测得提升容器在矿井中的相对位置，并通过显示屏将该深度值显示出来。根据精确的深度数据对矿井提升机进行实时监测、控制，并对矿井提升机在提升过程中进行限位及过卷保护；将旋转编码器的当前值和变频器的状态信号分别送给PLC，以此分别控制电机转动的速度及变频器的状态。

2.2.2系统硬件设计。对于测距系统，特别要求PLC输入点快速响应，指令快速运行，这样才会有高的精度。系统选用了Simens公司的PLC-200系列的CPU224CN，其具有可靠性高、抗干扰能力强、模块化结构设计等优点。变频器可以对交流电机进行调速控制，具有调速范围广、输出平滑性好等特点。变频器采用满毅电气公司的FU9000系列FU9000E3015V2T，电机选择Wenzhou ousit motor公司的三相电机，旋转编码器采用光洋TRD-3A1024-2610绝对值编码器1024线以及若干常开按钮组成。系统的部分硬件接线原理图如图2所示。

2.2.3系统软件设计。软件和硬件一样，都是系统不可或缺的组成部分。在系统开始工作时，首先系统开始初始化，然后检测深度指示器是否失效。若深度指示器失效则立即切断电源，启动制动装置和声光报警，否则将编码器的当前值送给PLC进行数据处理，即与设定的限位值进行比较，判断当前值是否达到了上、下停止位。若未达到，则根据当前值与设定的限位值的比较结果控制变频器的频率，以此来控制电机的转动速度，达到间接控制罐笼或箕斗上升或下降的速度。然后随着电机的转动，旋转编码器的输出值也随之增大或减小，将旋转编码器的当前值送能给PLC，然后与设定的限位值进行比较，判断是否达到上、下停止位，若达到则结束，否则以此循环直至达到上、下停止位为止。深度指示器的软件流程图如图3所示。

图1　控制系统组成

图2　部分硬件接线原理图

图3　系统程序流程图

3　结语

调试是为了检验和验证所设计的深度指示器能否满足要求。通过设置相关的参数，对该深度指示器进行调试。该系统参数设置包括两部分，分别是变频器和限位值的设置。限位值可根据实际情况进行设置调整。

根据调试结果可知，通过旋转编码器可以实现深度指示器对提升容器在矿井中相对位置的指示，该实验提高了矿井提升机的自动化程度。

Research on the Mine Shaft Encoder Depth Indicator

Gao Yuan
（State Grid Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450000）

Due to the traditional depth indicator（disc and arch type）in the presence of showing the value of low accuracy，single function，poor reliability problems，a new type depth indicator was studied.By comparing the type photoelectric type depth indicator，this paper drew the superiority of rotary encoder in depth indicator，and the rotary encoder was used to mine the depth indicator.Through the software and hardware design and experiment，the feasibility of the method was proved.The precision of Rotary encoder depth indicator is high，it has the function of measuring and monitoring，real-time monitoring for mine hoist position. Through the accurate measurement of the position of the elevator to monitor the position of the container in the wellbore in real time，the limit and over winding protection and the control of acceleration and deceleration in the process of lifting and lowering was realized，to prevent the occurrence of security risks，to improve the safe operation of the machine and equipment utilization and safety and reliability of the foundation.

depth indicator；rotary encoder；PLC

TD534.6

A

1003-5168（2016）05-0082-03

2016-04-09

高圆（1987-），男，本科，研究方向：电力营销和电气工程。

［1］齐秀丽，刘洋，王军，等.矿井激光深度指示器的分析与探讨［J］.煤矿机电，2013（2）：69-70.

［2］王广先，齐秀丽，张康，等.矿井深度指示器应用及发展现状［J］.煤矿机械，2011（1）：11-13.