智能化提升机制动系统监测装置的设计

王立刚

（山西焦煤西山煤电西铭矿， 山西 太原 030053）

引言

近年来，随着采煤技术、采煤工艺以及综采设备自动化水平的不断提升，综采工作面的采煤效率得到飞速的提升，进而对综采设备的可靠性和安全性提出了更高的要求。煤矿提升机为综采工作面主要运输设备之一，其主要承担将工作面人员、物料以及设备运输到地面的任务。提升机的安全性在一定程度上由其制动系统的性能所决定。在实际生产中，提升机若不能在设备出现故障时及时制动，不仅会导致设备的损坏，更严重的还会造成人员伤亡等事故[1]。为了确保提升机制动系统的性能，需对其制动器的工况参数进行实时监测，从而得出及时的故障报警信号并第一时间内消除隐患。本文着重对智能化提升机制动系统监测装置进行设计，具体阐述如下。

1 提升机制动系统监测装置的总体方案设计

提升机在实际提升任务中由于制动器故障及性能不佳所导致的故障有断绳、过卷、滑动等。经研究可知，造成上述事故的原因主要包括有两种：一是制动系统不能在提升任务结束时可靠地将设备制动；二是在减速阶段不能参与提升机的速度控制，不能确保提升设备的安全制动。

本文主要以多绳摩擦式提升机为研究对象。提升机制动系统主要由制动器和传动机构组成，且制动器根据其结构形式不同可分为单面闸、双面闸、单活塞闸、双活塞闸等。为准确掌握提升机制动系统的运行参数，基于本文所设计的监测装置通过对闸瓦间隙、油温、油压、端面跳动量等参数进行监测[2]。监测装置由上位机和下位机两部分组成。其中，上位机的主要功能是对下位机所获取的参数进行读取、分析并管理；下位机的主要功能是对提升机制动系统闸瓦间隙、油温、油压、端面跳动量等参数进行采集、存储并显示。

1.1 提升机制动系统监测装置硬件的总体设计方案

根据提升机制动系统的工作任务和要求，为监测装置配置的硬件主要包括有传感器、信号调理电路、通信模块、计算机以及单片机等。提升机制动系统监测装置根据其模块功能的不同可分为数据采集调理模块、电源模块、数据存储模块、通信电路模块和输入输出模块。监测装置的硬件组成框图如图1所示。

图1 监测装置硬件组成框图

如图1 所示，监测装置中电感、涡流、油压、油温等传感器对制动系统的对应参数进行采集，经调理电路后送至单片机处理器中，并经单片机对采集到的数据进行处理分析后通过显示屏显示输出，通过计算机对采集到的数据进行处理[3]。

1.2 提升机制动系统监测装置软件的总体设计方案

针对提升机制动系统监测装置的软件设计，通过Keil 编程环境对下位机的软件进行编写；基于LabVIEW 平台对上位机的软件进行编写，实现对数据的分析、处理和存储。上位机软件和下位机软件的功能如下页图2 所示。

图2 上位机、下位机软件功能

如图2 所示，下位机软件主要实现数据采集模块、数据调理模块、数据存储模块、输入输出模块以及数据通信模块的功能；上位机软件主要完成通讯软件、数据管理的设计，基于数据管理对提升机制动系统的数据进行分析[4]。

2 提升机制动系统监测装置的硬件设计

2.1 硬件设计原则

根据制动系统的功能需求完成监测装置的硬件设计，本监测装置硬件设计时需注意以下实现：确保监测装置软硬件的合理划分；监测装置应尽可能选用集成电路，实现硬件的简化设计；监测装置的硬件应根据其功能进行分类划分，实现硬件的模块化设计；鉴于监测装置应用的环境相对恶劣，要求监测装置具有较强的抗干扰性能。

2.2 监测装置硬件的选型

1）主控芯片的选择。主控芯片是监测装置的核心，其承担着对传感器所采集到数据进行处理、分析、显示、存储以及通信等功能。因此，所选型的主控芯片在保证可靠性的基础上，要求其具有较强的数据处理能力，确保监测装置各项功能均能够实现。综合分析，所选型的主控芯片为C8051F310 单片机，该单片机隶属于51 系列单片机，具有极高的性价比。

2）传感器的选型。传感器作为监测装置的重要部件，其承担着对提升机制动系统各项参数的实时采集。为保证所获取数据的准确性和实时性，要求传感器具有较高的灵敏度、响应特性、线性范围和可靠性[5]。监测装置主要是对提升机制动器闸瓦间隙、制动油温、制动油压、端面跳动量的参数进行实时监测，与其相匹配的传感器及其具体参数如表1 所示。

3 提升机制动系统监测装置的软件设计

提升机制动系统监测装置的软件设计包括单片机（下位机）和PC 机（上位机）的软件设计。其中，单片机的软件基于C 语言进行编写；PC 机的软件采用LabVIEW 进行编写。下位机主要功能是对数据进行采集、存储、通信以及输出输入；上位机的主要功能是实现与下位机的通信，对采集到数据进行读取和管理。

表1 监测装置传感器及具体参数

3.1 上位机软件的设计

根据提升机制动系统监测装置上位机软件的功能要求，为上位机设计如图3 所示的软件结构图。

图3 上位机软件结构图

如图3 所示，上位机软件采用LabvIEW 平台进行开发设计，根据上位机的功能要求设计5 个VI 结构，并对每个VI 下的子功能软件进行设计。

3.2 下位机软件的设计

下位机软件的设计主要包括有应用程序的流程设计和程序代码的调试。根据提升机制动系统的功能要求，为下位机设计两种工作方式。其中，基于方式1 通过上位机和下位机的联机工作实现对参数的采集；基于方式2 仅通过下位机实现对制动系统参数的采集。下位机的软件设计流程如图4 所示。

图4 下位机软件流程图

4 结语

提升机作为综采工作面的主要运输设备，其安全性和可靠性直接决定综采工作面煤炭的生产效率和作业人员的安全。制动系统的工作状态是反应提升机安全性和可靠性的关键，在实际生产中由于无法实时、准确获取制动系统的运行参数导致提升机运行存在极大的安全隐患。为此，基于单片机设计了提升机制动系统的监测装置，并基于LabVIEW 和C语言环境设计了上位机和下位机的软件。