钢丝绳张力监测系统中的无线发射模块

钢丝绳张力监测系统中的无线发射模块

1无线发射监控系统主要由油压计组成，接收模块、接收模块和主机。油压传感器(量程0~35MPa)与悬挂装置油缸的联通管路截止阀相连,将油压转换为4~20mA电流信号。油压传感器安装于罐笼顶部,随罐笼上下运动,采集发射模块实现信号数字化,完成信号的采集、调制和发射。井口的接收装置接收上一步经过调制的信号,并解调为串行数据通过485线传输到监控中心。监控中心的串行通讯模块将RS485信号转换为电脑识别的RS232信号进而被LabVIEW软件读取、处理转换为钢丝绳的张力值后,进行分析和判断提升系统是否出现卡罐,测得两码罐笼的载重,得出滚筒两侧静张力。进而利用柔索传动欧拉公式分别得出静防滑安全系数、动防滑安全系数以判断提升系统是否出现超载和配重不足。另外绞车房上位机的监视画面通过光纤能同步传递到井口井底信号房中。监测系统硬件组成如图1所示。由以上情况可以看出无线发射模块在整个张力动态监测系统中很重要。井筒中钢丝绳张力信号必须由无线发射模块以电磁波的形式发射出去,地面上的监控设备才能进一步分析、处理并进行相应的报警。然而常规的钢丝绳张力无线监测系统中将采集电路和无线发射模块的供电电源都统一由电源模块转换后的5V(DC)电压提供,对于采集电路AD转换芯片的模拟输入的基准电压一般要求10V时具有1mV初始准确度,通常是对5V(DC)利用电感电容元器件进行滤波后得到。并没有考虑到张力动态监测系统上的无线发射模块作为一个大功率模块,具有相当大的负载效应,同时会将噪声串入到AD转换芯片的基准电压中。通过美国LabJack公司开发的多功能数据采集控制器LabJackU12对AD芯片的基准电压进行测试后发现,每当无线发射模块将张力信号调制发射出去时,会对基准电压造成相当大的波动。很明显这达不到基准电压对电压稳定的要求,而将钢丝绳张力的模拟信号数字化存在相当大的误差。为此本文将采集部分和发射模块利用隔离模块进行双隔离,实现电气上的隔离,从而大功率发射模块的噪声不会对采集模块产生干扰,通过LabJackU12对隔离后的基准电压进行测试。对采集模块和发射模块进行隔离后的基准电压已经相当平稳,能满足采集张力信号和电池电压信号准确度的需要,满足采集的要求。2监控软件的设计监测系统软件分为下位机软件设计和上位机软件设计。2.1中断驱动设计下位机软件的任务是控制AD芯片对钢丝绳张力和电池电压等模拟量信号进行采集,将采集到的信号通过USART接口传给无线发射模块,进而以无线电波的形式发送到地面。常规的下位机软件设计中利用采样定理每隔一段时间采集一次信号,时间间隔中只是简单的延时,单片机并没有进行任何其他的工作。本文利用中断服务程序对信号进行采集和发送而主程序则对采集完的信号进行去极值算术平均滤波,提高了采集发射和数据处理的效率。真正达到了对信号的实时采集实施处理的目的。(1)SPI串行传送完成中断本文使用的AD转换芯片为德州仪器公司的ADS8341,它为16位高速SPI串行接口的模/数转换器。正好与单片机mega8的SPI接口实现对接,SPI串行传送完成中断服务程序的任务是读取转换后ADS8341转换值,其中断服务程序如图2所示。(2)定时器中断主要是依据采样定理设置好采样间隔时间后,设置AD芯片采样信号的类型启动采样。以及开启USART接口将数据传递给无线发射模块进而以电磁波的形式发射出去。其中断服务程序如图3所示。(3)主程序主程序主要是开启中断,设置好定时器工作模式,设置USART串行通讯波特率,SPI工作模式以及时钟速率等工作。然后对数据采集序列进行去极值平均滤波并等待中断。其程序流程图如图4所示。2.2自动张力检测上位机主程序是利用NI公司专门用于测试的LabVIEW开发的。主要是对接收模块接收过来的钢丝绳张力信号进行处理,并根据提人、提物、罐笼提升、回放、到位和停车等提升信号依据相应的逻辑关系,判断罐笼是否在井口、井底或在井筒中,是否已过加减速点并结合得到的钢丝绳张力值判断提升过程中是否卡罐,在罐笼位于井口、井底利用张力值的变化,判断罐笼是否有装卸载过程,是否出现空罐,进而得到罐笼空罐时在井口、井底的实时张力信号,从而测量罐笼载重进而判断罐笼是否超重,配重不足并进行相应的报警。不过接收到的数据首先从485信号通过485转232通讯控制模块编程232信号后,上位机的LabVIEW程序才能通过2个com口读取两码罐笼相关的张力值和电池电压值。主程序流程图如图5所示。上位机的程序运行界面如图6所示。3采集发射模块的省电突破对于无线钢丝绳张力监测系统而言,供电是比较重要的环节。通过现场观测采用100Ah的锂电池供电,对采集发射模块以及传感器部分的供电最多维持7d左右。先前曾有人讨论过在罐笼上安装一个摩擦轮和发电机,当提升机运行时摩擦轮在罐道上摩擦滚动带动发电机发电从而对蓄电池供电。然而在现场由于安装不方便,很多矿上都不愿意安装该发电装置。并且时断时续地对蓄电池充电,严重影响蓄电池的寿命。本文则从省电的角度考虑。通过实验发现采集发射模块发射数据时,电流大约在600mA。而不发射数据时电流仅维持在200mA。因此通过控制发射模块的发射次数,能达到节省电量、提高采集发射模块工作时间的效果。在提升运行过程中需要知道的往往是罐笼是否出现卡罐。通过实验发现在匀速阶段,张力的变化主要是尾绳重量的线性增加或减少,该阶段内采集发射模块尽管实时采集张力信号,可以适当减少发射次数,上位机则在发射间隔内进行插值。而在提升机过减速点后钢丝绳张力变化不是线性的,因此不仅要实时采集张力值同时要连续发射数据。当然采集发射模块要对采集到的张力进行分析,如果采集发射模块的单片机检测到张力出现大的波动和剧烈变化后即使此时提升在匀速阶段也要进行连续发射。从现场的应用效果来看,电池从原来的7d左右延长到10d左右,一定程度上达到了省电的效果。4无线