一种绞车保护系统结构及软件的设计

胡爱保

（阳泉煤业有限责任公司三矿， 山西 阳泉 045000）

引言

煤炭的运输系统由运输技术和运输设备组成，这些硬件和软件系统的成效对煤炭行业的发展至关重要。煤矿井下斜巷运输系统是运输工作人员和物料的重要设备，是井下运输系统的重要组成部分。斜巷运输系统[1]包括轨道、串车组、提升钢丝绳、绞车、斜巷安全措施和沟通信号系统。在煤矿的实际生产工作中，由于照明、地形、距离等条件限制，绞车司机不能实时掌握轨道车的运行状态，轨道车在运行时可能会发生翻车、脱轨和断绳现象，对车内和巷内人员安全造成极大威胁。

1 斜巷绞车保护现状

作为井下的提升系统，斜巷运输系统由于地形复杂、空间狭小等特征，难以实现绞车司机对轨道车的实时监控和车辆间的沟通交流。随着自动化技术的不断发展和进步，煤矿信号系统也得到了长足的发展。目前国外相关技术已经相当成熟，在智利以PLC 为核心的煤矿斜井提升信号控制系统已经运营几十年。该系统由于其操作方便、抗干扰能力强，得到国外许多国家的引进开发。

目前，我国井下运输系统在井下提升信号控制系统方面已经相当完善，但是在斜巷提升信号控制系统[2]方面还存在一些漏洞和问题。例如，工作面的操作人员和绞车司机的通信不协调，沟通不一致。当斜巷下口的工人向绞车司机发出下放的信号时，工作面的工人可能向绞车司机发出上提的信号，此时位于斜井口的工作人员并不了解绞车运行现状，类似的安全隐患还有很多。除此之外，我国的绞车控制系统往往是单独存在的一套系统，与煤矿通信一体化的自动化通讯系统不兼容。这也是大部分绞车司机和其他工作人员通讯发生错误的原因。为了减少类似的事故发生，煤矿井下斜巷运输控制系统势必需要向智能化、全自动的方向发展。

2 绞车保护系统方案和结构的设计

出于经济性和实用价值的考虑，本系统采用以单片机[3]为核心的信号控制系统。根据一般煤矿的井下斜巷设计，在保护系统中设置5 个单片机控制电路。分别控制上口、下口、分道口、车房的信号打点和显示电路，以及信号处理电路。4 个功能单片机控制电路将信号传输至信号处理电路进行分析和处理，然后根据具体情况再由信号处理电路将处理后的信息反馈到各个单片机控制电路。

为了满足在不同条件下的煤矿斜巷的保护要求，本文以模拟的煤矿斜巷[4]为例进行分析。在绞车车室、斜井上口、斜井下口和斜井分道口分别设置显示器、斜井上口工作台、斜井下口工作台和斜井分道口控制器。本系统的结构框图如1 所示。

图1 保护系统结构框图

模拟的斜井现场分布图如图2 所示，车室的信号显示器位于绞车房的操作台侧面，通过显示器，司机可以迅速观察到信号显示。

该斜巷绞车保护系统的工作原理分为有斜巷分道口控制器参与下的工作和无斜巷分道口控制器参与的工作。

图2 模拟现场系统分布图

1）有斜巷分道口控制器参与的工作。在有斜巷分道口控制器参与的工作时，要保证车辆信号的一致性。例如在斜巷分道口打出下行信号，斜道上口只能发出下行信号即“3”，斜道下口只能回应。当绞车开车后，打点信号和总信号被清除而分道口的信号保持。当绞车停车后，清除所有信号，等待下次打点。

2）无斜巷分道口控制器参与的工作。根据斜巷下口的工作需要发出打点信号，斜巷上口对其进行响应。若打点一致则系统发出操作信号，车室根据信号进行操车。当车辆进入行驶模式，总信号和打点信号清除同时保持开车信号。停车后所有信号清除并等待下次信号。打点信号根据“1 停，2 上，3 下”的原则。

3 绞车保护系统软件的设计

根据上述工作原理，在设计软件时分为系统信号打点及显示软件设计和系统信号处理软件设计。系统采用OMRON 的MY4NJ DC 24 V 作为中间继电器，信号灯均选用LA42P DC 24 V，信号打点及显示电路采用AT89C2051 单片机，信号处理电路的单片机采用AT89S52，供电电源由DC 24 V、DV 12 V 和DC 5 V 供电电路组成。

3.1 保护软件信号打点及显示软件的设计

计数器在检测到打点信号后加一；当到达P3^3=1 时，对当前计数器数值进行存储。单片机的引脚与CD4060 的引脚相连[5]。当单片机中输入打点信号时，CD4060 也接收到一个复位信号并开始计时，经过大约1 s 后它的引脚输出高电平结束打点信号。在计时1 s 内，打点有效，超过1 s 视为二次打点。其流程图如3 所示。

在系统显示程序中，先确认系统中目前的打点数组是否为零。如果已记录的打点数不是零，系统重新启动继续再检查命令。当检测到打点数为零时，程序开始读取编码，通过数码管将编码转换为打点数。在系统中设计打点数的有效范围为1～3，如果超出这个范围则系统返回第一层检查数组是否为零。

3.2 软件信号处理程序

系统的信号处理程序包括开车状态和停车状态。信号处理程序由8 路输入信号和输出信号组成，各端口的逻辑定义如图4 所示。

几个子程序组成了信号处理程序。包括打点程序、中断定时程序和清零程序。打点程序是在绞车停车状态下调用，用来判断上端和下端所发出的打点信号是否匹配。当打点信号一致时，发出总信号。中断程序是在下端打点后等待上端响应时调用，设置时长为30 s，若反应时长超过30 s，信号清零。同理，在总信号发出指令后上下端30 s 没有做出反应，则信号清零。

图3 系统信号打点程序流程图

图4 系统信号处理电路端口逻辑定义

3.3 软件程序的调试

在完成软件设计之后，分别对信号处理程序和打点程序进行调试。发现以下一些问题：在信号处理中，车辆从工作到停止模式时，信号灯没有变化。为了解决这个问题在软件中增加车辆停车位，当车辆到达停车位后系统自动复位。将各个子程序结合起来调试时，发现存在两组程序时间不一致问题，由于打点信号处理装置的时间间隔是内置的，所以对信号处理装置加装定时，将程序时间定为1 s。

4 结语

为了解决我国现有的斜巷绞车存在的安全隐患，从煤炭生产的实际出发，提出了一套新的斜巷绞车保护软件。在车房、斜井上口、斜井中口和斜井下口四个位置进行打点通信。将打点信号通过单片机对进行处理分析，再通过输出信号来反映绞车的状态。这个系统有着连接简单、经济实用等特点。但是采用的装置设备也存在稳定性和抗干扰性需要进一步提高的问题。除此之外，需要考虑开发备用系统（无人化智能化），以防出现故障而影响整体工作。这也是笔者和煤炭从业者将来需要努力的方向。