电机车安全监控管理系统设计

任建 冯忠彬 赵伟

摘 要：在井下主要以电动机车为主要煤炭运输工具，因各种原因超速运行、违章运行而造成的事故时有发生，如何防范机车的超速运行，保证机车运行安全成为煤炭安全生产亟待解决的一项重要课题。为提高电机车运行安全管理水平，杜绝违章作业，同时对电机车运行质量进行不间断监控，使煤矿机车的运行管理科学化，设计了一种电机车安全监控管理系统。该系统设计方案为矿用一般型，体积小，安装方便，结构简单，性能可靠，智能化程度高，是电机车管理的理想产品。矿井下环境比较恶劣，温度、湿度等条件都比较差，本系统通过无线抄录器从机车上获取数据从而避免了使用有线受环境的影响，使生产安全得到了有效保障，确保了安全质量。

关键词：电机车；安全监控；串行口通信；安全质量管理

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.31.090

1 设计背景

在煤礦的现代化生产中，轨道矿车是煤矿生产运输的主要工具。同时矿车也是井下人员的交通工具。矿车在煤矿生产中有着举足轻重的作用，占据着特殊的地位。

煤矿的开采生产追求效率和效益，这就要求加快矿车的运输速度。但井下地理环境复杂，轨道质量不高，矿车速度过快容易引起安全事故。如何兼顾安全生产和生产效率，给我们提出了一个课题。为保证矿山电机车的安全行驶，目前有用于监测和显示矿山架线电机车的智能超速报警记录仪，可显示行车瞬时速度，累计单班里程和总里程，具有超速声光报警，速度记忆等功能。该装置已经成功用于实际生产中有效地控制、检测了机车的运行速度和司机违章超速行驶。提高了矿用电机车运行管理的自动化，提高了矿井运输的安全生产水平。

本方案是设计一种实时显示矿车运行速度并实时反馈给管理人员，对矿车安全运行管理具有重要的现实意义。不仅可以使机车运行司机对机车速度有定量了解，及时调整速度，而且可以使管理人员实时了解井下矿车的运行情况，为安全生产管理做出正确的决策。

2 系统设计总体方案

本方案系统总体分三部分：速度监控装置、无线数据读写装置、管理机装置。

该套机车速度监控装置的设计共分三部分，其中与无线数据读写装置之间采用无线通信方式进行数据的传输，无线数据读写装置与管理机之间通过USB串行口方式进行数据的传输。

车载速度监控装置主要实现机车运行速度的检测功能，并可以通过车载显示器以比较直观的方式实时显示，同时该装置可以对检测到的数据与设置的速度上限进行比较，若发生超限速度即超速行驶将通过声光方式进行报警，提醒机车驾驶员。而且机车的运行数据与日期等信息可以存储在该装置的自带存储器中，用于下一步的传输与进一步的处理。此外，该装置还能实现机车的启动控制，实现对机车驾驶的规范化，最大程度上满足安全要求。

无线数据读写装置主要实现数据的采集功能，因为井下环境复杂，且潮湿、粉尘较多，若使用传统线缆进行数据的传输降大大降低设备运行稳定性与数据传输的不间断性，而采用无线方式进行数据的传输将克服这些局限。此外，井下工作区域与主控机房距离一般较远，若二者直接进行无线通信一是对无线传输的功率要求较高，成本较大，二是对数据的抗干扰性有较高的要求，实现难度较大，所以，有必要在车载速度检测装置与管理机之间使用无线数据读写装置这样一种中介，从而既满足了无线传输的可靠性，又满足了数据处理的及时性。

管理机位于控制机房，主要用于将采集的数据进行分析处理并存入机车运行监控数据库，从而对机车运行进行科学化管理，实现自动化管理，在保证生产安全的前提下实现生产效率的最大提高。

各部分之间的结构组成如图1所示。

3 速度监控装置设计方案

该监控仪的硬件结由主控CPU、传感器、稳压电路、液晶显示器、“看门狗”、语音报警、键盘、存储器、时钟芯片、继电器电路等几部分模块组成。

硬件部分的任务是监测机车运行的速度，实时出传递给无线读写装置，再传递给管理机显示。对机车运行速度的监测，要同时兼顾数据采集的实时性和仪器环境适应性。

CPU模块采用ATMEL公司的AT89C52单片机。在众多的单片机系列中，AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。使用非易失性存储器技术制造，完全兼容80C51产品指令和引脚。其中Flash存储器可编程。单芯片上载有8位CPU和可编程Flash，可灵活、高效组建嵌入式控制应用系统解决方案。

速度传感器模块采用霍尔传感器。霍尔传感器基于霍尔效应设计的一种元件，可基于磁场、电压、电流三种物理常量实现精确的非接触测量，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面.霍尔传感器体积较小，安装位置灵活，可广泛用于各种测量环境。

这部分电路由高灵敏度霍尔开关元件、永久磁铁（磁钢）、电平转换电路、光电隔离电路组成，其功能主要是将车轮转动的情况转换为电脉冲信号，并进行整形送单片机电路。高磁性永久磁铁固定在矿机车的车轴上，霍尔开关元件固定在车身上。当矿机车开动时车轴转动，每当霍尔开关元件与永久磁铁由远离到靠近，电路产生一个电平脉冲变化；经过整形、光电隔离，送到单片机AT89C52的T0。

4 无线数据读写装置设计方案

数据存储器采用X24256，X24256芯片基于EEPROM集成电路，采用IIC接口技术，可对其内部存储器进行方便的数据读取写入。该芯片的实际基于CMOS工艺 ，功耗低 ，适应宽幅电压。此外可实现四片级连，且不消耗CPU资源。该存储器为32kBEEPROM，存储容量大；该存储器存储数据后，可保存数据至少100年，同时有一个写保护引脚WP大大提高了存储数据的安全性。

液晶显示模块采用了OCMJ4×8C模块，采用串行传输模式，大大节省了硬件资源，省下大量的I/O口。为128×64位，可以显示4行8列汉字，显示信息量大。方便了人机交互，比传统的LED显示器更加人性化。

无线数据传输模块采用NRF905，省去了插拔IC卡的麻烦，也提高了设备稳定可靠性，同时还支持远程数据的传输，在空旷地带NRF905的信号传输范围能高达800～1000m，井下传输距离大约100米左右。

5 管理机系统设计方案

为了满足设计技术要求，管理机实现的功能是将手持抄录器、界面、数据库联系起来。系统向手持抄录器发送控制命令并从手持抄录器取得数据显示到界面上。数据可以保存到数据库里，在需要时重新读入系统，显示到界面上。

数据库采用Access数据库，易于上手，与日常办公用软件结合紧密，可以实现无缝过渡。

管理系统采用分权限设计，即对不同的操作者分配不同的权限，从而在保障数据安全、管理有序的前提下实现资源的充分利用。

系统运行后第一个需要的是登录功能。设置不同的权限角色。管理员具备最高权限，包括可以对数据进行删除，可以查询、删除日志。普通用户可以进行其他操作，包括查看超速记录，并可以进行打印。

登录管理保证了只有有密码的管理人员才可以进入，当管理人员输入正确的密码后可以登录系统，其权限可查看数据记录、系统设置管理，可对记录数据进行删除，具有日志查询权限，可筛选查看速度记录，数据可导出并打印。

查看是对于任何人都可以进入，不需要密码。当登录后可以查看数据记录，可以进行打印，不可以进行系统设置更改，不可以进行数据删除。

6 结论

本设计方案能够满足电动机车安全监控的要求，可以通过无线通信进行数据的采集，并将数据存储，通过串行口将数据传入上位机。而且人性化的界面也易于工作人员的设置操作。

参考文献

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