煤矿井下防爆无轨胶轮车安全系统设计

    运输系统是煤矿井下必不可少的构成部分,可以划分成为有轨运输和无轨运输两种,有轨运输在实践应用过程中受到很多限制,在很多场合无法满足实际使用需要。无轨运输以其显著的优势越来越受到煤矿行业的关注,在现代化大型煤矿中,防爆无轨胶轮车是非常重要的辅助运输设备。但由于煤矿井下工作环境比较特殊,对防爆无轨胶轮车运行的安全性提出了更加严格的要求。由于我国对防爆无轨胶轮车在煤矿井下的应用研究相对较晚。导致防爆无轨胶轮车在安全方面存在一定隐患,严重威胁着煤矿井下的安全生产。因此为提升防爆无轨胶轮车运行安全性,设计研究了一套安全系统,可有效保障车辆的运行安全,避免出现各种安全事故。

1 防爆无轨胶轮车安全系统总体设计

    为保障防爆无轨胶轮车安全,需对其运行状态数据信息进行实时检测。要检测的数据类型较多,不同数据类型格式存在差异。因此,需将不同格式的数据信息进行转换,实施标准化处理,再输入到控制系统中进行对比分析,进而实现防爆无轨胶轮车的安全控制。如图1所示为防爆无轨胶轮车安全系统总体框架图。

1.1数据采集及转换

    数据采集是系统判断防爆无轨胶轮车运行状态的根本和前提。数据采集模块的作用就是对防爆无轨胶轮车的运行状态、井内瓦斯浓度等信息进行采集,需要采集数据信息具体见图1。可以看出,需采集的数据信息种类非常多,对每种数据信号都需要采用对应的专业传感器进行检测收集。因此,最终得到的数据信息格式也存在差异。传感器可以分成为模拟信号、数字信号传感器两类。由于控制器只能识别数字量信号。所以,模拟信号传感器采集得到的数据信息需要通过A/D转换器将其转换成数字信号才能够输入到控制器中进行分析和处理。数字信号传感器采集得到的就是数字信号,能够直接输入到控制器中进行处理,不需要对其进行格式转换。

1.2控制功能

    控制器的功能就是对各个专业传感器采集得到的信号数据进行分析处理。对每个需要检测的数据信号,可根据煤矿井下具体情况,提前在控制器内设置一个安全阈值。控制器将传感器检测收集的信号数据与系统设置的安全阈值进行比较分析。检测信号如果在安全阈值范围内认为是安全的,如果检测信号超过了安全阈值就认为存在危险。控制器根据处理分析结果输出对应的控制量,以达到控制的目的。控制器通过防爆无轨胶轮车蓄电池直接进行供电。

1.3结果响应

    响应控制模块由控制装置、声光报警系统以及显示器构成。传感器采集得到的数据信息经过控制器处理后,可以被实时显示在显示器上,以供工作人员观察,进而判断防爆无轨胶轮车的运行状态。

    当控制系统分析发现实际检测数据信息超过了安全阈值时,会输出一个控制信号,此时,声光报警系统发出声音和灯光进行报警,以提醒工作人员。此外,还会对车辆进行自动控制,比如将车辆进行熄火处理等。

2 防爆无轨胶轮车安全系统的硬件设计

     如图2所示为防爆无轨胶轮车安全系统硬件组成。由图可知,安全系统由多个硬件模块构成。本文设计的控制系统采用嵌入式思路,由于煤矿井下环境复杂,为确保数据检测、传输和处理过程的准确性,系统中设计了抗干扰电路。以下对防爆无轨胶轮车安全系统中涉及到的主要硬件部分进行详细介绍。

2.1控制器型号的选择

    本文设计的安全控制系统属于嵌入式系统。因此,需要采用嵌入式芯片作为控制器。可供选择的控制器类型主要包括PLC、ARM和DSP。在综合考虑各种类型控制器性能以及本系统实际需要的基础上,最终选择ARM嵌入式微处理器作为安全系统的控制器。具体型号为S3C2440A,这种类型的控制器非常适用于车载系统,在该领域有非常广泛的应用前景。ARM嵌入式微处理器由三星公司设计生产制作,采用的是ARM920T核心,性能优越。

2.2电源模块的设计

    系统由防爆无轨胶轮车蓄电池进行供电,蓄电池输出电压为12V直流电压。安全系统中需要用到三个等级的电压进行供电,分别为5V、3.3V、1.25V。因此,需要设计专门的电路对蓄电池的电压进行降低处理。其中需要用到调压器,选用的型号为LM1117,调压器对电流大小进行了限制并且提供有热保护功能。经过调压器处理后的输出电压误差可以控制在1%范围内,利用钽电容改善输出端电压的稳定性。根据使用需要不同,LM1117型调压器还可进一步划分成为多种类型。结合实际使用需要,最终选用的类型包括LM1117-5.0、LM1117-3.3、LM1117-ADJ型,分别可以实现12V5.0V、5.0V3.3V、3.3V1.25V的电压转变。

2.3报警器硬件模块的设计

    本系统中设计的报警器系统由两大部分构成,分别为声音系统和灯光系统,通过声音和灯光同时提示工作人员存在危险。对应的,报警系统的电路同样由两部分构成,分别为蜂鸣器电路和LED灯电路。控制器对传感器检测收集的数据信号进行分析后,如果认为存在危险就会发出控制信号,驱动报警器发出声响和灯光。蜂鸣器可以分成为有源和无源两种类型,两种类型适用于不同场合。其中有源蜂鸣器的电路结构比较简单,因此本系统中选用这种类型的蜂鸣器。如图3所示为声光报警系统的电路图。

3 防爆无轨胶轮车安全系统的软件设计

3.1安全系统主程序的设计

    安全系统软件开发在ADS1.2编译软件中进行。软件采用模块化设计,系统程序主要包含三大部分,分别为启动程序、数据分析程序、响应控制程序。为了达到模块化的效果,对每个程序单独进行编译,方便日后的维护。

    安全系统正式运行时首先执行启动程序,主要对整个系统进行自检,自检过程中如果发现安全系统存在问题则系统无法正常启动。启动程序中还要实现各个模块的初始化。启动程序执行完成后开始执行数据分析程序。数据分析程序又主要由三大部分构成,分别为DS18B20程序、A/D程序和ADCO809程序。其中,DS18B20程序的作用是接受来自传感器的信号数据,A/D程序则是对数据信号进行转换。数据分析程序的作用是将传感器检测得到的实际数据信息与系统中设置的安全阈值进行比较分析。如果实际运行状态数据超过了安全阈值,安全系统会输出控制量,调用报警系统子程序。一方面对防爆无轨胶轮车进行控制,避免车辆发生危险;另一方面通过报警系统发出报警声响和灯光信号。而如果检测信号在正常范围内时,则将结果显示在显示器中,响应控制软件程序由三部分构成,分别为液晶显示、声光报警和控制程序。通过液晶显示程序可以将防爆无轨胶轮车运行状态数据信息显示在液晶显示器中,通过声光报警程序可以驱动声光报警系统发生警告声音和灯光,通过控制程序可以对防爆无轨胶轮车的发动机进行控制。如下页图4所示为防爆无轨胶轮车安全系统软件程序流程图。

3.2数据显示程序的设计

    本安全系统中,选用的是LRO43JC211型显示器显示防爆无轨胶轮车运行状态数据信息。显示器中的图像由多个像素构成,每个像素可通过多个二进制数来进行表达。本系统选用的显示器每个像素通过16个二进制数进行表达。显示器的分辨率为480×272,即总共有272行像素,每行像素包含480个像素点,利用像素点可以组成不同的汉字进行显示。

4 结语

    1)安全保护系统利用专业传感器可对防爆无轨胶轮车运行状态信息、瓦斯浓度等进行实时采集并分析。具有良好的兼容性,可以对采集得到的不同格式数据信息进行标准化处理;

    2)系统可以对采集到的数据进行综合研判,分析防爆无轨胶轮车的安全状态。如果发现存在安全隐患,系统会发出声音和灯光警告信息,工作人员通过警示信息可以快速定位故障问题并排除;

    3)选用S3C2440A型ARM嵌入式微处理器,该型号控制器性能优越且比较稳定,非常适用车载系统。

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