矿用防爆无轨胶轮车安全保护监控系统设计

成中华

关键词：无轨胶轮车;安全保护;监控系统;状态监测

0引言

矿用运输装备是煤矿开采中必不可少的重要机械装备，在传统的煤矿开采中使用较多的是有轨运输。随着煤矿领域的不断发展，防爆无轨胶轮车以其显著的优势，在很多煤矿中都得到了应用。大量的实践经验也表明，无轨胶轮车具有非常好的应用效果。与此同时，由于煤矿井下的工作环境相对比较复杂，所以防爆无轨胶轮车在矿井中使用时存在一定的安全隐患。如何采取措施对其进行监控保护，是进一步推广其应用范围的重要措施。我國针对无轨胶轮车安全保护监控系统的研究并不是非常多，尚处在发展阶段。因此，本文对相关的安全保护监控系统进行研究，以提升监控系统的可靠性和稳定性，保障无轨胶轮车的使用安全。

1防爆无轨胶轮车危险点分析

对矿用防爆无轨胶轮车运行过程中的危险点进行分析，是设计安全保护监控系统的基础。结合理论和实践经验，对胶轮车的运行危险点分析如下。

（1）瓦斯浓度。煤矿开采中瓦斯浓度是威胁矿井安全的重要因素，同样会威胁胶轮车安全。需要对矿井内的瓦斯浓度进行实时监测，瓦斯浓度必须控制在1%范围以内。

（2）温度过高。煤矿井下环境复杂，空气中包含有瓦斯和粉尘，遇高温有发生爆炸的危险。正常情况下车辆尾气温度可以超过650℃，对于无轨胶轮车尾气，需要冷却后才能排放，以达到降低尾气温度的目的。需要将尾气温度控制在70℃以内。冷却水水位会影响尾气冷却效果，需要对该部位冷却水水位进行监控;车辆运行时发动机温度同样很高，需要进行冷却。所以要对发动机表面温度进行监控，将其控制在150℃以内。发动机冷却水温度会影响冷却效果，同样需要对水温进行监控，将其控制在95℃以内。

（3）尾气有害气体浓度。防爆无轨胶轮车需要烧柴油提供运行动力，排放的尾气中包含有一氧化碳和氮氧化合物，这些都是有毒有害气体，会对井下人员的人身安全构成威胁。因此需要对尾气中的一氧化碳和氮氧化合物浓度进行实时检测，避免浓度过高危害井下人员的身体健康。其中，尾气中的一氧化碳浓度需要控制在0.1%以内，氮氧化合物浓度需要控制在0.08%以内。

（4）机油压力。机油是保障车辆正常运行的基础，所以必须确保机油压力正常。设计的安全保护监控系统需要对机油压力进行检测，将其控制在正常范围以内。

（5）行驶速度。矿井路面复杂，必须对车辆行驶速度进行控制。不同的环境、不同型号的车辆，最高行驶速度存在差异。本系统中最高行驶速度控制在30km/h以内。

2安全保护监控系统总体方案设计

2.1系统总体结构

图1所示为设计的安全保护监控系统总体示意图。从图中可以看出，系统具备3个方面的功能，下文对系统的功能进行介绍。

2.2系统主要功能

（1）状态数据信息采集。掌握防爆无轨胶轮车运行状态数据是对其进行保护的基础，系统中通过设置大量的传感器，对车辆运行状态进行监测。基于传感器得到的数据信号为模拟量信号，需要通过A/D转换器将其转换成为数字量信号，然后才能输入到控制主机中进行处理。

（2）控制主机处理。控制主机接受传感器采集得到的数据信息，并将这些数据信息与系统中设定的安全范围进行比较。如果发现某些数据超过了安全范围，控制主机就会下达控制指令进行处理，以确保防爆无轨胶轮车的运行安全。可以直接利用车载蓄电池对控制主机进行供电。

（3）响应控制处理。响应控制处理模块由3大部分构成，分别为控制装置、声音和灯光报警装置、显示器。传感器采集得到的数据信息经过控制主机处理后可以直接展示在显示器中，工作人员可以查看显示器，掌握无轨胶轮车的运行状态。一旦某些数据超过安全范围时，通过声音和灯光报警装置可以发出警告信号，以提示工作人员。控制装置的作用是当车辆处于危险状态时，可以对车辆进行控制，强制停车处理。

3安全保护监控系统硬件选型设计

3.1硬件结构整体框架

图2所示为安全保护监控系统的硬件整体结构框图。系统的硬件部分总体可以划分成为3大部分，分别为传感器部分、最小系统部分和响应部分。其中最小系统部分主要由核心控制器以及外围电路构成。由于系统中数据的采集、传输与处理都是在防爆无轨胶轮车内部进行，所以信号传输的距离较短，数据信号受外界的干扰相对较小。但为了提升数据的可靠性，在系统设计时还是考虑了抗干扰因素。

3.2核心控制器选型

控制器是整个系统的关键和核心，其性能的优劣会对安全保护监控系统运行的稳定性产生非常重要的影响。目前市场上的控制器类型有很多种，结合实际情况，本系统中最终选用的是嵌入式微处理器，具体型号为S3C2440A。这种型号的处理器不仅具有非常丰富的资源，且价格低廉，性能也相对较好，能够快速处理数据。另外还具有摄像头和网络接口，可以为安全保护监控系统后续的拓展提供基础。

核心控制器需要利用5V直流电压对其进行供电，供电电源直接取自无轨胶轮车的蓄电池。蓄电池的电压为直流12V，所以需要通过转换电路，将12V直流电压转换成为5V电压，对核心控制器进行供电，如图3所示为核心控制器的供电电路。

4安全保护监控系统软件程序设计

4.1软件程序整体架构

图4所示为设计的安全保护监控系统软件程序整体结构框图。从图中可以看出，整个软件程序主要由3大部分组成，分别为系统启动程序、数据采集及分析程序、响应控制程序，其中第1个程序为系统准备程序，后2个是系统的关键程序。软件程序编写时采用模块化设计思想，对每个构成部分进行单独编写，然后进行组装。

4.2数据采集及分析程序

（1）DS18820程序。作用是对传感器中的数据进行读写。传感器采集得到的数据信息会存储在其内存中，利用该程序可以读取传感器内存，以获得车辆状态数据信息。

（2）ADC模块程序。控制主机只能对数字量信号进行识别。因此，通过传感器采集得到的模拟量信号都需要利用该程序进行转换，使其变成数字量信号，才能够输入到控制主机中进行分析和处理。

（3）ADC0809程序。传感器和控制主机等不同硬件之间进行数据传输时需要基于I/O接口进行，ADC0809软件程序的作用就是驱动数据传输。

（4）数据比较程序。所有采集得到的无轨胶轮车状态数据信息都需要输入到控制主机，然后利用数据比较程序将其与系统设定的安全范围进行比较，以判断无轨胶轮车的实际运行状态是否在安全范围内。

4.3响应控制程序

数据信息经过控制主机处理后，如果发现无轨胶轮车运行状态存在危险，就会启动响应控制程序，做出相关的处理，以确保无轨胶轮车和矿井的安全。

（1）声音和灯光警报程序。通过该程序可以发出声音和灯光报警，声音通过蜂鸣器发出，灯光通过控制面板中的LED灯发出。

（2）控制程序。该程序主要是对车辆的发动机进行控制，紧急状态下可以直接控制发动机熄火，避免车辆继续运行加大危险程度。

（3）显示程序。在没有危险情况时，显示程序的作用是对处理后的数据信息进行展示，使操作人员能够随时掌握车辆的运行状态。在车辆存在危险情况时，显示程序就会显示相关的危险信息，以提示操作人员及时进行处理。

5结束语

矿用防爆无轨胶轮车在煤矿中应用时存在一定的危险性。考虑具体情况，本文设计了安全保护监控系统，利用该系统可以对无轨胶轮车的运行状态参数进行实时监测，如果监测得到的实际参数超过了系统设定的安全范围，就会发出声音和灯光警报，以提示工作人员进行处理。同时还会通过响应控制措施对车辆进行停车，避免危险情况进一步恶化。安全保护监控系统的应用能够显著提升无轨胶轮车的安全性能，为煤矿安全奠定坚实的基础。