闸瓦保护系统的设计方案.doc

闸瓦保护系统的设计方案1 绪论1.1课题背景提升设备是煤矿安全生产的关键运输环节，其运转安全与否直接关系到煤矿的正常生产和人员的生命安全。在煤矿，提升绞车被称为“四大件”之一，是煤炭生产的咽喉也是煤矿安全的一个重要因素；而盘行闸是提升机制动系统的各种保护的最终作用者，可以保证提升机实现正常的减速停车从而保证提升机安全运行，也可以在各种紧急的情况下执行紧急制动安全停车的紧急手段。所以盘行闸能否安全正常运行直接关系到生产成本、生产产量、生产安全和职工的安全。现在随着矿井的规模的扩大以及矿井标准化建设，安全生产受到了各级部门的重视，而提升机运行质量和安全是其中的重要环节。为了保证提升机运行质量和安全，在煤矿安全规程中对煤矿绞车安全特别是对闸瓦安全作出规定。第四百二十七条规定：提升装置必须装设过负荷和欠电压保护装置和闸间隙保护装置，当闸间隙超过规定时，能自动报警或自动断电。第四百三十一条规定：保险闸或保险闸第一级由保护回路断电时起至闸瓦接触到闸轮上的空动时间；盘式制动闸不得超过0.3s；盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2mm；保险闸施闸时，杠杆和闸瓦不得发生显著地弹性摆动。第四百三十五条规定：矿井主要提升装置必须定时测量盘行闸的贴闸压力。由于技术条件和设备投资等方面的限制，许多煤矿使用的是不完善的安全检测和自动保护装置。为了工作安全，消除隐患，设计一套比较完备的绞车盘型闸安全监测系统是重要的也是十分必要的。闸瓦间隙是保证提升机制动安全的重要因素，闸瓦间隙过大会使制动力减小，将不能及时停车或可靠地静止，会造成事故；若闸瓦间隙过小，制动力矩就会过大，则将导致过大的紧急制动减速度，一方面使设备产生过大的制动载荷，另一方面也会对被提人员造成伤害，所以闸瓦间隙安全隐患是不容忽视的，它是关系到制动系统能否安全、可靠、及时动作的重要因素。因此，对提升机闸间隙进行实时监测是安全保护的有效措施之一。通过对制动系统的监测，可以实现对液压系统的状态识别和故障诊断，通过对制动闸工作间隙的测量，可以实现对闸瓦磨损程度、蝶形弹簧疲劳失效或断裂的故障识别和诊断，从而确定是否满足煤矿安全规程的要求。所以提升机闸瓦间隙实时监控系统，必须具有声光报警功能的安全可靠、并且保护精度高的特点。这样可以及时发现故障苗头，使问题能够及时得到解决，使提升机安全和可靠的运行。1.2课题现状国家煤矿安全规程明确提出：提升装置必须装设各种保护装置，如保险制动保护、过卷、过速、过负荷和欠电压保护、限速保护、深度指示器失效保护、闸瓦过磨损保护、松绳报警保护等。对于提升绞车的制动系统盘行闸而言，盘行闸具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、安全性能好、便于实现矿井自动化等优点，因此近年来提升机的制动方式，大都以盘型闸代替了角位移块形制动器和平移式块形制动器。国产提升机制动装置是由盘式制动器和液压站组成，简称油压盘制动装置。其作用是：1.实现工作制动和正常停车。在提升机工作正常时参与速度控制和减速，并在提升结束时抱闸停车，避免事故的发生。2.实现安全制动。当提升机工作异常时或发生过卷、过速、停电等事故时，使提升机迅速停车，避免事故的发生。但是盘式制动器闸瓦的有效行程短，这就要求闸间隙必须保持在1.01.5mm范围内，否则贴闸正压力会迅速下降，甚至失去制动力。传统的检测盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙的方法是采用限位开关的方式，即在2mm地方用一个触点，闸瓦张开到和触点导通时实现断电。此种方法存在的缺点是：1、不能实时显示闸间隙值。2、不能检测闸瓦磨损量。3、不能在油压超压时报警。4、当油压升到正常值时，某个闸瓦因某种原因打不开（闸间隙0.5mm时）不能报警而产生摩擦发热而造成的烧闸事故。5、不能记录闸间隙值。6、不能方便操作维修工调整闸间隙值。目前的闸间隙监测仪一般通过两种技术开发，一种是用PLC控制，另一种用单片机检测。前者是将电磁感应探头埋于闸盘之中，闸盘距离探头的远近会使得感应电流的变化，通过送入闸控PLC的电流信号确定闸间隙。后者也是通过位移传感器采集模拟量，然后将模拟量送入单片机处理。由单片机输出实现显示和报警。盘型闸安全的另一个重要指标就是闸制动油压，如果制动油压偏低、不稳，就会造成松闸不彻底，影响机械寿命，甚至可能发生断绳事故。然而，在煤矿上通常仅仅通过油压表测量，一旦出现油压不正常现象，也不能及时报警，存在很大的安全隐患。1.3课题的意义煤矿提升绞车承担矿物的提升、人员的上下和材料的运送等任务，是矿山的大型关键设备，直接关系煤矿的安全生产。对提升绞车的提升电流和电压的监测能够及时判断绞车的运行是否处于过负荷或欠电压状态，对提升绞车的运转电机的轴温测量能够及时发现电机是否过负荷运行，对绞车盘型闸空动距离和贴闸压力的检测以及动态工作间隙的监测能够保证提升绞车的安全运行，从而实现提升绞车的正常减速停车或者在各种故障情况下执行紧急制动安全停车。因此，对提升绞车运行状况进行实时监测是安全保护的有效措施之一，这也是研制本系统的主要目的。通过对制动系统的监测，可以实现对液压系统的状态识别和故障诊断，通过对盘型闸动态工作间隙的测量，可以实现对闸瓦磨损程度、碟形弹簧疲劳失效或断裂的故障识别和诊断，从而确定是否满足煤矿安全规程的要求。因此，该课题的开发无论从煤矿安全生产考虑，还是从煤矿建设的标准化考虑都有着重要意义。2 系统设计方案2.1课题研究的内容油压盘型闸制动是利用被压缩的盘型弹簧的推力产生制动力，靠油压松闸。油压盘闸制动是制动力矩的产生和执行机构。其结构如图2.1所示：油压盘闸成对安装在滚筒制动盘两边支座9上，其对制动盘8产生的正压力虽然沿轴向，但因大小相等、方向相反而平衡。因而主轴不受附加轴向力。盘式制动器的工作原理是利用被压缩的盘型弹簧的推力产生制动力，靠油压松闸。当压力油进入油缸3时，活塞4在油压推动下带动筒体6、闸瓦1移动，压缩筒体6内的一组盘型弹簧2，使闸瓦离开制动盘8，成松闸状态。当需要制动时，使油缸内的油压降低，盘型弹簧力图恢复其压缩变形，便推动筒体6和闸瓦1、并带动活塞一起移动，使闸瓦压向制动盘，实现制动。图2.1 盘型闸结构图图中：1、闸瓦，2、盘型弹簧，3、油缸，4、活塞，5、后盖，6、简体，7、制动器体8、制动盘，9、支座，10、压力传感器，11、位移传感器，盘形制动器是由蝶形弹簧产生制动力，靠油压松闸。制动状态时，闸瓦压向制动盘的正压力的大小决定于液压缸内工作油的油压。盘形制动器松闸的动力来源是高压油。此课题研究三个方面的重要问题：一是不同类型模拟信号的采集与传输，二是模拟量接收监控与处理，三是检测界面的设计开发。2.1.1模拟信号的采集和处理本课题需要采集盘型闸瓦到闸盘的间隙（间接反映盘型闸贴闸时正压力以及蝶形弹簧是否疲劳或断裂）、闸盘偏摆的位移和制动油压三种类型的模拟量。采集盘型闸闸瓦到闸盘的间隙和闸盘偏摆的位移采用的是位移传感器。该位移传感器的检测范围：0.01mm10.00mm；测量油压可采用压力变送器在闸的进油口安装，其测量的范围：0.01MPa10MPa。通过对以上几种模拟量的测量：1.实时检测闸间隙，如果闸间隙过大会导致制动力矩增大，而制动力减小，闸的空动时间增大，闸瓦的工作性能下降。所以要控制闸间隙在2mm以内，超过该范围则要报警。2.制动油压和蝶形弹簧的制动压力是反映制动正压力的直接元素。通过对两个模拟量的测量直接算出制动正压力的大小，从而可以诊断出弹簧是否疲劳或是断裂，油压是否正常。3.制动盘偏摆量的大小反映制动闸与制动盘能够有效接触的面积的大小,闸盘的偏摆量过大和闸瓦间隙不均匀直接影响到制动器的可靠性,使闸瓦与闸盘不能很好地贴合,造成制动力降低，闸盘的偏摆会导致闸瓦快速磨损。制动时产生较大冲击振动,尤其是轴向冲击振动,影响安全生产和设备寿命。这三种模拟量采集通过传感器转换成15V或是420MA的电压电流信号，以方便模拟数据的通信。2.1.2数据通信本系统需要实现信息的远程监控，这就要涉及多个机之间的通信，集中的问题在于通信方式的选择。目前数据通信的方式多种多样，根据其各自的特点，适应的场合各有不同。如何在满足要求的基础上，选择一种可靠、方便且成本较低的通信方式是要解决的关键问题。2.1.3监测界面的设计开发如何直接清晰的反映闸瓦的工作性能，人机界面的开发非常重要。过去人机界面多采用VB6或是delphi 6.0 编程语言开发，这些界面的开发往往需要以Windows为开发平台，是一种面向对象的可视化的高级语言编程。本系统采用HONER公司的一体化控制器OCS形成对人机界面的开发，编程简单，画面清晰明了，适用于煤矿的生产环境。该界面能够全面、直观的反映各项数据，并且操作简单，维护方便。2.2系统总体方案选择2.2.1三种配置方案：第一种方案 图2.2 第一种方案图系统的检测绞车房内不放主机，只是在盘型闸附近放置能够实时显示数据的界面控制器。第二种方案 图2.3 第二种方案图将各种模拟数据采集通过一种通讯方式传输到绞车房内，将采集到的数据送到计算机上进行显示。而盘型闸附近没有显示的控制器。第三种方案 在盘型闸附近放置能够实时显示各项数据控制器，控制器本身可以实时的显示数据，不受计算机的控制，能够独立的工作。绞车房内的计算机通过通信接口与控制器相连进行数据通信，将各项数据传到计算机上进行显示。这样的话计算机只是作为辅助可选择设备。 图2.4 第三种方案图通过综合的比较这三种方案，选择第三种系统配置方案。该方案的主要部分在于盘型闸附近的控制器，而与绞车房内的计算机进行通讯只是其辅助的功能。将数据传输到绞车房内，可以实现对提升机的综合保护集中在线监测和控制。2.2.2 位移传感器的选型盘型闸的动态工作间隙由位移传感器来测量，类似系统中常用的位移传感器有两类:铁磁感应式位移传感器和电感调频式位移传感器。电感调频式位移传感器。其输出线性良好，灵敏度高，分辨率能达到0.002mm/Hz，完全能够满足精度要求，传输距离较远。但是该传感器将位移转化为频率输出，不符合此系统采集量类型的要求。铁磁感应式位移传感器是利用铁心线圈中的自感系数随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的位移传感器。该传感器结构简单，没有活动触点，工作寿命比较长。但是，在实际应用中，传统的传感器线性标定比较麻烦，在0-1mm位移范围内测不出来(即传感器的盲区)，并且该传感器输出为电压信号，传输距离有限。所以我们选用一种新型的传感器，该产品为一种测量闸瓦间隙的霍尔线性位移传感器。2.2.3 压力传感器的选型陶瓷压力传感器具有卓越的抗腐蚀性、高稳定性和高精度。由于它的固有频率和坚固的结构，使该变送器经得起强烈的冲击和振动。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递作用，被测介质直接作用在测量膜片上，故测量压力比较稳定。压敏电阻被印刷在陶瓷膜片的背面连接成惠斯登电桥。压力加在测量膜片上，使膜片产生微小的变形，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥输出一个与压力成正比的电压信号，这个信号经放大、电压与电流的变换后转换成标准的电流信号输出。我们选用KGY-50压力传感器测量油压。2.2.4 采集模拟量模块选择由于传感器输出的形式为电流或者电压的形式，所以采集模块输入信号的形式必须为电流或电压的形式。由于电流或者电压具有一定的范围，所以模拟量采集模块可能要具有PGA增益放大电路用于对信号输入范围进行调节。模拟量采集模块将模拟量转换成数字量，所以模拟量采集模块还具备了16位A/D转换电路。由于控制器具备接受RS-485传输进入的数据，所以数据传输需要将数字量转化为RS-485的传输形式。考虑到采集模块的精度和可靠性，模拟量采集模块还应当具有滤波电路、输入接口电路和RS-485接口电路。根据以上的分析我们采用EDA系列的模拟量采集模块。2.2.5 通信方式选择通常通信的形式可以分为两种，其一为并行传输式通信(Parallel Communication)另一种为串行传输式通信(Serial Communication)。所谓并行通信，是指一次传输量为8个位(1个字节)，而串行通信是指一次只传输1个位，每次通信它们之间的数据传输量相差8倍。并行通信虽然在一次传输中传输8个位，但是因为数据电压传送的过程中，容易因为线路的因素而使得电压基准位发生变化(最常见的是电压衰减问题，以及信号间的相互干扰问题)因而使得传输得数据发生错误，如果传输线比较长的话，电压衰减效应及信号间的干扰问题会更加明显，数据的错误也就会常常发生。相比之下，串行通信一次虽然只传输1个位，但相对来说，处理数据的电压只有一个基准位，因此数据不易漏失，再加上一些防范措施后，可使数据漏失概率降到最小0。 目前，在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。常用的串行通信接口标准主要是RS-232标准、RS-422标准、CAN总线标准和RS-485总线标准等。 RS-232接口标准抗噪声干扰性比较弱，传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用在10米左右，而且它只允许一对一通信，因此，从传输距离和传输节点来看该标准显然不适合本套系统。 RS422接口标准为全双工方式，收与发各有单独的信道，至少分别有一个差分发送口和差分接收口。两节点通讯时，一方的发送口与另一方的接收口相连。需两对线，可用于实现两个站之间通讯及星型网，环网。RS422接口不能直接用于三点以上的直接互连，当然不能直接用总线连接，因此不可用于总线网。 CAN总线(Controller Aera Network)是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信;它的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps; CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接受到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要;CAN总线数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求.同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性;CAN总线CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能。 虽然，CAN总线和RS-485总线相比，有先进的多主网络结构、通讯距离远(可达10km)、可靠性高、系统容量大等优点。但是，本系统中下位机和上位机的通信距离一般为几百米，网络为单主节点结构，即一个上位机和一个或多个下位机进行通信。RS-485串行通信总线标准及接口技术己广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。它的线路设计简单、控制方便，适合于远距离(最大1200m),多节点传输，而且组网简单，价格低廉，在集中控制系统、分布式控制系统中应用相当广泛，己成为工业应用中远距离数据传输的首选标准。可见，RS-485通信在硬件成本和开发难度方面都比CAN总线具有优势，因此，该通信方式将是本套系统中最佳选择。模拟量采集模块传送模拟量到控制器也采用RS-485总线的形式。RS-485总线是一个串行总线，它的体系结构如图所示。 图2.5 RS-485主从网络系统这是一个主从网络系统，系统中只有一个主设备，其余的均为从设备，设备的总数量最大为256个。系统的通信过程在主设备的控制下进行。一个RS-485总线驱动器最多可以驱动32个接收器，传输线最大长度为1200m，最大数据传输速率为10Mbps。当传输线超过规定的长度时，或是设备的数量超过32个时，可以通过线路驱动器延长线路长度和增加驱动能力。RS-485总线没有规定的接插件形式，也没有规定传输线类型。但在实际中均采用双绞线，效果良好。RS-485总线采用采用平衡（差分）式信号传输，如图 图2.6 RS-485信号传输方式差分驱动器和差分接收器采用单一+5VDC供电，逻辑电平规定为：Ua-Ub200mv，为逻辑1；Ua-Ub-200mv，为逻辑0。当总线空闲时，保持逻辑1。RS-485总线采用半双工异步串行通信方式，通信规程与RS-232的相同。当传送一个数据包时，通信规程由用户根据实际的情况和需要自行定义。常见的数据包结构如表所示。起始符地址数据字符1数据字符2数据字符N校验符结束符 表2.1 RS-485总线通信规程常采用的数据包结构可见，该数据包除了增加了“地址”外，其余的与RS-232的相同。由于，RS-485总线结构简单，数据传输可靠性高，易于与微型计算机接口，因此在各种对实时性要求不太高的监控系统中、仪器仪表中获得了广泛的应用。通信协议采用Modbus-RTU通讯协议。MODBUS协议详细定义了校验码、数据序列等，这些都是特定数据交换的必要内容。MODBUS协议在一根通讯线上使用主从应答式连接（半双工），这意味着在一根单独的通讯线上信号沿着相反的两个方向传输。首先，主计算机的信号寻址到一台唯一的终端设备（从机），然后，终端设备发出的应答信号以相反的方向传输给主机。MODBUS协议只允许在主机（PC，PLC等）和终端设备之间通讯，而不允许独立的终端设备之间的数据交换，这样各终端设备不会在它们初始化时占据通讯线路，而仅限于响应到达本机的查询信号。查询：查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03H是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。回应：如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：如寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。传输方式：传输方式是指一个数据帧内一系列独立的数据结构以及用于传输数据的有限规则，下面定义了与MODBUS 协议RTU方式相兼容的传输方式。每个字节的位：1个起始位、8个数据位（最小的有效位先发送）、无奇偶校验位、1个停止位、错误检测(Error checking)：CRC（循环冗余校验）。协议：当数据帧到达终端设备时，它通过一个简单的“端口”进入被寻址到的设备，该设备去掉数据帧的“信封”（数据头），读取数据，如果没有错误，就执行数据所请求的任务，然后，它将自己生成的数据加入到取得的“信封”中，把数据帧返回给发送者。返回的响应数据中包含了以下内容：终端从机地址(Address)、被执行了的命令(Function)、执行命令生成的被请求数据(Data)和一个校验码(Check)。发生任何错误都不会有成功的响应，或者返回一个错误指示帧。地址（Address）域：地址域在帧的开始部分，由一个字节（8位二进制码）组成，十进制为0255，在我们的系统中只使用1247,其它地址保留。这些位标明了用户指定的终端设备的地址，该设备将接收来自与之相连的主机数据。每个终端设备的地址必须是唯一的，仅仅被寻址到的终端会响应包含了该地址的查询。当终端发送回一个响应，响应中的从机地址数据便告诉了主机哪台终端正与之进行通信。功能域：功能域代码告诉了被寻址到的终端执行何种功能。下表列出了该系列仪表用到的功能码，以及它们的意义和功能。代码意义行为03读数据寄存器获得一个或多个寄存器的当前二进制值 16预置多寄存器设定二进制值到一系列多寄存器中(不对ACRXXXE开放) 表2.2 功能域代码的意义数据域：数据域包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数值、参考地址或者设置值。例如：功能域码告诉终端读取一个寄存器，数据域则需要指明从哪个寄存器开始及读取多少个数据，内嵌的地址和数据依照类型和从机之间的不同内容而有所不同。错误校验域：该域允许主机和终端检查传输过程中的错误。有时，由于电噪声和其它干扰，一组数据在从一个设备传输到另一个设备时在线路上可能会发生一些改变，出错校验能够保证主机或者终端不去响应那些传输过程中发生了改变的数据，这就提高了系统的安全性和效率，错误校验使用了16位循环冗余的方法（CRC16）。错误检测的方法：错误校验（CRC）域占用两个字节，包含了一个16位的二进制值。CRC值由传输设备计算出来，然后附加到数据帧上，接收设备在接收数据时重新计算CRC值，然后与接收到的CRC域中的值进行比较，如果这两个值不相等，就发生了错误。CRC运算时，首先将一个16位的寄存器预置为全1，然后连续把数据帧中的每个字节中的8位与该寄存器的当前值进行运算，仅仅每个字节的8个数据位参与生成CRC，起始位和终止位以及可能使用的奇偶位都不影响CRC。在生成CRC时，每个字节的8位与寄存器中的内容进行异或，然后将结果向低位移位，高位则用“0”补充，最低位（LSB）移出并检测，如果是1，该寄存器就与一个预设的固定值（0A001H）进行一次异或运算，如果最低位为0，不作任何处理。上述处理重复进行，直到执行完了8次移位操作，当最后一位（第8位）移完以后，下一个8位字节与寄存器的当前值进行异或运算，同样进行上述的另一个8次移位异或操作，当数据帧中的所有字节都作了处理，生成的最终值就是CRC值。生成一个CRC的流程为：1.预置一个16位寄存器为0FFFFH（全1），称之为CRC寄存器。2.把数据帧中的第一个字节的8位与CRC寄存器中的低字节进行异或运算，结果存回CRC寄存器。3.将CRC寄存器向右移一位，最高位填以0，最低位移出并检测。4.如果最低位为0：重复第三步（下一次移位）；如果最低位为1：将CRC寄存器与一个预设的固定值（0A001H）进行异或运算。5.重复第三步和第四步直到8次移位。这样处理完了一个完整的八位。6.重复第2步到第5步来处理下一个八位，直到所有的字节处理结束。7.最终CRC寄存器的值就是CRC的值。此外还有一种利用预设的表格计算CRC的方法，它的主要特点是计算速度快，但是表格需要较大的存储空间。通讯应用格式详解：所举实例将使用如图所示的格式（数字为16进制）。AddrFunData start reg hiData start reg loData #of regs hiData #of regs loCRC16 loCRC16hi01H03H00H00H00H03H05HCBH 表2.3 通讯应用格式形式Addr：从机地址Fun：功能码Data start reg hi：数据起始地址 寄存器高字节Data start reg lo：数据起始地址 寄存器低字节Data #of reg hi：数据读取个数 寄存器高字节Data #of reg lo：数据读取个数 寄存器低字节CRC16 Hi: 循环冗余校验 高字节CRC16 Lo: 循环冗余校验 低字节2.2.6下位机控制器的选择下位机要求对各传感器进行模拟量的采集，可以脱离上位机进行独立的显示和报警。控制器能够采集数据并就地显示。就地显示可以分为两种：发光二极管显示（LED）和液晶显示器（LCD）。LED显示与LCD显示相比，LED在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。但是，在本系统中显示数据量较大，若是使用LED来显示，硬件电路会相当的复杂，系统的功耗也会很大，而且显示的数据观看起来不直观，不容易辨认数据所代表的含义。然而，液晶显示器作为现代高新技术产品，它体积小、功耗低、无辐射、寿命长、超薄、防振、防爆，能够提供可视的人机对话界面，具有LED显示器、CRT显示器所无法比拟的优点。系统中选用了液晶显示器，与大多数的发光二极管相比，虽然其价格稍高，但是显示的效果良好，而且作为智能显示器的一项最突出特点，避免了烦琐的点阵操作。下位机应当具有简单的人机界面编辑功能，将数据采集、数据就地显示、数据存储功能集为一身。下位机还应当能够控制输出，提供报警、控制保护的功能。该系统控制器选用HONER公司的一体化控制器OCS，其显示界面为： 图2.7 下位机显示界面该下位机还具有声音灯光的报警功能，控制器的编程简单，适用于工厂的简单显示和控制。2.2.7上位机存储软件的设选择该系统的上位机为一台计算机，要求程序操作灵活，人机界面友好，数据通信可靠。与系统下位机进行数据通信，由于下位机已经实现在线监控、数据实时显示和声光报警功能。所以下位机可以采用的软件用于存储下位机的历史数据文件即可。通过以上的分析我们采用HORNER公司远程文件传输软件 Cscape Envision FX文件传输软件。其可以轻松实现PC与OCS之间的文件传输。Envision FX是基于WINDOWS的应用软件，它使您方便地实现在PC与XLNX和QX系列OCS之间的文件传输。该软件采用CsCAN协议传输文件，为您提供了多种灵活的通讯方式选择，主要包括：以太网串口无线网MODEM等。通过CsCAN网络您可以方便地连接Envision FX 网络上任一台OCS设备上，双向存取文件。Envision FX软件的特点： 1. 可在PC与OCS间自由存取文件。2. 对本地或远程文件进行复制移动或重命名等操作。 3. 在不同窗口之间使用工具条中的拖拽功能方便操作。 4. 可同时定义一组控制器，实现快速多组文件传输。5. 高级脚本功能支持批处理或自动文件传输功能。6、可传送配方数据历史记录屏幕抓图或其它数据。3 系统的结构与工作原理3.1 系统结构本系统由上位机和下位机组成，其结构图如图所示： 图3.1 系统的结构图下位机是独立于上位机可以进行数据采集、在线显示、声光报警的功能，是整个监测系统的核心。下位机的核心为一体化控制器。该控制器集微处理器、显示器、报警电路于一体。外围配备有传感器信号采集模块、保护输出电路和供电回路。 上位机由计算机和通信接口组成，计算机利用专门的系统检测软件实现对现场数据的修改和存储，通信接口负责数据的双向传输，完成RS485和RS232数据的转化。上位机可以放置在煤矿调度室和办公室，实现远距离监测和控制。3.2 系统的工作原理首先，下位机系统通过各类传感器将被测的物理量转化为系统能够接受的电信号。盘行闸的动态工作闸间隙通过位移传感器把间隙值转化为020MA的电流信号，盘行闸的贴闸油压是通过油压传感器转化为420mA的电流信号，压力传感器将压力转化为电流信号。以上这三种传感器的输出电压或是电流标准信号，传输到模拟量采集模块。模拟量采集模块采集传感器信号转换成RS-485的传输方式传输到控制器中。控制器接收RS-485传输来的数字量，对数据进行处理、比较和存储后，在自身带有的显示器上进行显示。如果采集到的数据值超出规定上下限值时，控制器就会触发声光报警电路，以提醒工作人员采取相应的措施或是触发自动保护程序，起到自动报警保护的功能。上位机定时接收下位机传送的传感器历史数据，可以存储该数据。这样可以实现对提升机运行的性能进行集中监控。4 系统下位机的硬件电路本系统下位机主要完成传感器信号的采集、处理、现场显示、报警以及与上位机通信等功能。与其功能相对应，下位机的硬件组成主要包括以下几部分:传感器测量电路，模拟量采集传输电路，控制器，上位机通信电路，电源电路。4.1 传感器测量电路 传感器测量电路是对反映盘行闸工作性能的参量的直接测量，它给系统提供了被检测对象的原始信息，因此传感器的参数显得尤为重要，它直接反映了系统的性能和精确度。以下对用到的传感器的性能特点和工作原理进行介绍。4.1.1 位移传感器测量电路工作原理本系统选用的是霍尔线性位移传感器。固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差的基本关系为 （4.1） （金属） （4.2） 式中 霍尔系数； n载流子浓度或自由电子浓度； q电子电量； I 通过的电流； B垂直于I的磁感应强度； d导体的厚度。图4.1(a)是两个结构相同的直流磁路系统共同形成一个沿x 轴的梯度磁场。为使磁隙中的磁场得到较好的线性分布，在磁极端面装有特殊形式的极靴。用它制作的位移传感器灵敏度很高。霍尔片置于两个磁场中，细心调整它的初始位置，即可使初始状态的霍尔电势为零。它的位移量较小，适于测量微位移和机械振动等。当霍尔元件通以恒定电流时，在其垂直于磁场和电流的方向上就有霍尔电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移量x。测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移。 图4.1 霍尔传感器工作原理图当霍尔元件通以恒定的电流时，霍尔电压仅与元件所在位置的磁感应强度B有关，而梯度磁场在一定范围内沿垂直的x 方向上磁感应强度B 的梯度dB/dx为一常数，因此当霍尔元件上、下移动时，霍尔电压随之的变化量为 (4.3)式中，K为常数，是霍尔式位移传感器的灵敏度将上式积分得: (4.4)即在一定的范围内霍尔电压与位移量x成线性关系，如图4.1(b)所示，由式子可知，磁场梯度越大，灵敏度就越高，沿霍尔元件移动方向上的磁场梯度越均匀，霍尔电势与位移的线性度就越好。4.1.2 位移传感器外形构造对于半导体和铁磁金属，采用的位移传感器的工作原理如下。如图：后端盖1、外套2和前端盖4采用不锈钢材料，构成传感器坚固的外壳，同时有效防止内部磁钢10的磁扩散。磁钢10安装在测量杆5后端的空腔内。测量杆5和铜内套3通过螺纹连接在一起，用铜内套3来有效防止外围强电磁干扰。弹簧9的前端安装在测量杆5与铜内套3形成的环状空间里，后端顶着后端盖1，使指测量杆5具有自复位功能。测量杆5的前端安装钢珠7，一方面有效防止测量杆5运动卡死，另一方面闸瓦的径向运动也不会造成测量杆弯曲变形。定位销11和铜内套3外表面凹槽配合，防止测量杆5自由转动。霍尔元件及其电路板8也安装在后端盖1上，电路板引线通过航空插头12引出。 图4.2 位移传感器结构图1.后端盖 2.外套 3.铜内套 4.前端盖 5.测量杆 6.钢珠套 7.钢珠8.霍尔元件及其电路板 9.弹簧 10.磁钢 11.定位销 12.航空插头通过测量杆在弹簧的作用下紧顶着闸瓦座，随着闸瓦座一起移动，测量杆后端的内腔里设有磁钢，磁钢就随着测量杆一起移动。传感器的底端放置一个霍尔元件，当磁钢随着测量杆移动时，作用在霍尔元件上的磁场强度会发生变化，磁场强度发生变化正比于位移的变化，通过检测该磁场强度变化就得到了位移量。其结构简单，安装方便。4.1.3 油压传感器外形构造该传感器安装在制动油压站的油路出口处。陶瓷压力传感器具有卓越的抗腐蚀性、高稳定性和高精度。由于它的固有频率和坚固的结构，使该变送器经得起强烈的冲击和振动。此系统采用的是KGY-50型压力变送器。抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递作用，被测介质直接作用在测量膜片上，故测量压力比较稳定。压敏电阻被印刷在陶瓷膜片的背面连接成惠斯登电桥。压力加在测量膜片上，使膜片产生微小的变形，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥输出一个与压力成正比的电压信号，这个信号经放大、电压与电流的变换后转换成标准的电流信号输出。 图4.3 油压传感器结构图4.1.4 油压传感器工作原理 当应变片受到压力的作用是一对桥臂的电阻值增大,另一对桥臂的电阻值减少，电阻变化量与压力成正比，即,电桥输出电压,即电桥输出电压与压力P成正比。 图4.4 惠斯顿电桥电路 压力传感器输出放大电路如图4.5所示，该电路是典型的仪表放大电路，三个运算放大器组成，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且输入阻抗高，可以调整电路的偏置。电路的差模放大主要由OP07-1完成，OP07-2用来防止运放的反馈电路流入传感器的负端。传感的共模电压变化，脚之间的电压之差为零。OP07-1该电压由OP07-3完成二次放大，的输出电压随压力传感器2脚和4脚改变电压放大倍数，输出电压与压力传感器输出关系式:。 图4.5 压力传感器输出放大电路图4.2 模拟量采集传输电路 模拟量采集模块的作用是将传感器输出的标准的电流或是电压信号转换成RS-485的传输模式传输到控制器中。其作用相当于PLC的模拟量扩展模块。模拟量通过输入12通道信号变换多路器、PGA滤波电路、16位A/D转换，最后进入微控制器内，将信号转换成RS-485传输。模拟量采集模块采用EDA9015模拟量采集模块。4.2.1 模拟量采集模块的工作原理 图4.6 模拟量采集模块的内部电路 传感器输出的模拟量经过输入接口输入，其输入的接口电路为如图所示。 图4.7 输入接口电路输入的模拟量经过PGA电路、滤波电路、16位A/D转换电路，最后送入微控制器转换成RS-485传输数据，通过隔离通讯电路接到RS-485接口。4.2.2 模拟量采集模块的PGA电路 用可编程增益放大器（PGA）处理数据采集系统中传感器/变送器模拟输出和信号处理数字世界之间的接口。单片和高集成度PGA现在被可编程、更高精度、更高吞吐量和更小封装尺寸的模块和混合方案替代。由于来自传感器/变送器的模拟信号的本性,使其工作必须具备相当大的动态范围。这要求采用连续增益级在进行任何实际的数字处理之前增大这些信号,PGA能满足这种要求。PGA是可变增益放大器（VGA）的子集。VGA提供可变和连续增益控制,而PGA必须在软件控制下以因定步（通常6dB步）做到可变增益控制。达到更精细的分辨步0.5dB是可能的。 图4.8 一种简单的PGA电路一般多通道数据采集系统用很多不同类型的传感器/变送器,这包括热电偶、惠斯登电桥,热敏电阻、应变计和超声系统。虽然,使感器/变送器是基于不同的物理原理,但大多数产品是以电压作为输出。甚至这会产生中间值（如电容或电阻）,但最终变换为电压,以便在数据采集系统中进行进一步处理（图1）。传感器/变送器的输出可覆盖非常大的范围,需要PGA来处理传感器/变送器输出到ADC的接口。例如,在工业过程控制系统中,低频信号可以几毫伏到几伏变化。需要PGA来匹配这种宽传感器/变送器输出范围到末门的ADC输入范围。通常,在输入数据采集通道最低信号电平与最高信号电平之比是2个量级或更大。另外,后面ADC的分辨率将不被完全利用。PGA可做更多事情。PGA缓冲来自等级（通常是多路转换器）ADC的输入,防止多路转换器导通电阻所引起的加载。PGA也提供差分别单端的变换,大多数跟踪和保持型ADC需要单输入。把PGA连接到差分多路转换器输出时,PGA提供共模抑制。4.2.3 模拟量采集模块的滤波电路 为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。常用的滤波电有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值/输出电压的直流分量。 图4.9 LC型滤波电路4.2.4 采集模块的16位A/D转换电路MAX1116是美国MAXIM公司生产的逐次逼近型16位模数转换器,该芯片片内除集成了逐次逼近型ADC所必须的逐次逼近寄存器SAR、高精度比较器和控制逻辑外,还集成了时钟、4.096V精密参考源和接口电路。MAX1166有20个引脚，如图4.10，其引脚大约分成三类： 图4.10 MAX1116芯片图第一类是电源类。其中,模拟电源和数字电源应分别通过0.1F的钽电容与模拟地和数字地相连接。而数字地和模拟地、通常共地。 第二类为模数信号类。其中,为模拟信号输入端;/为数字量并行输出口。 第三类是控制信号类。其中输入为转换启动端;R/C（输入）为读取结果A/D模数转换控制端;（输出）用于指示转换结束;HBEN输入用来控制从总线读出的数据是转换结果的高字节还是低字节;REFADJ为参考电源选择端,该端通过0.1F钽电容与模拟地相接时选择内部参考电源模式。而当其直接与模拟电源相接时选择外部参考电源模式。REF为参考电源输入/输出端,选择内部参考电源时该脚应通过4.7F钽电容接模拟地而选择外部参考电源时该脚为外部参考电源输入端。MAX1166的转换控制时序 ：MAX1166的一次转换过程可分为三个阶段,即转换准备阶段、模数转换阶段和转换结果输出阶段。图4.11为其转换时序图。具体工作过程如下： 图4.11 MAX1116转换时序图首先将R/C管脚置低电平,然后在脚输入脉冲信号, MAX1166会在的第一个脉冲信号的下降沿进入工作状态;并在的第二个脉冲信号下降沿启动A/D转换。此脉冲信号的宽度最小应为40ns。转换过程中,脚为高电平,并在经过约5转换完成后,脚电平变低以指示转换完成。当脚输出为低电平时,若将R/C脚置为高电平,系统将在的第三个脉冲的下降沿把转换结果输出到数据总线上。在数据转换过程中,通过检测脚的输出电平即可判断数据的转换状态。当输出为高电平时,表示数据转换仍在进行,此时不能读取数据;而当输出为低电平时,表明数据转换已经结束,此时可以读取数据。设置并行数据输出选择位HBEN为高电平可读取数据高8位;而设置HBEN为低电平则可读取数据低8位。MAX1166有两种工作模式,即稳定工作模式和低功耗工作模式可由管脚R/C在第二个脉冲下降沿的状态来决定选择哪种工作式,R/C为低电平时,选择正常工作模式,为高电平时选择低功耗工作模式。4.2.5 采集模块的RS-485接口电路 RS-485接口采用光电隔离，使得信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。 图4.12 RS-485的接口电路4.2.6 模拟量采集模块EDA9015该系统的模拟量采集模块采用山东力创公司的EDA9015模块。EDA9015可测量：12 路电压或电流输入信号。EDA9015于各种工业控制与测量系统中。它能测量交流或直流0250V电压或者电流信号0200mA的真有效值。其输出为RS-485总线方式。该模块的外形图如下： 图4.13 EDA9015模拟量采集模块外形图EDA9015模块为12路模拟量输入，其输入的形式为电流范围050mA或者电压的范围为010V。其模块的上有12路输入管脚，3路模拟量输入地管脚，1路输入地管脚。其管脚SLT用于为协议选择端，接地时为二进制协议，不接地时为LC-02协议，传输协议都为Modbus协议。表4.1对应为EDA9015输入模块的管脚图。 引脚号名称描述1 AGND模拟输入地2UIN8第 8 路模拟量输入3UIN9第 9 路模拟量输入4UIN10第 10 路模拟量输入5UIN11第 11 路模拟量输入6SLT协议选择端,接地为 LC-02 协