基于单片机的矿井松绳监测装置

吴治荣，董登文

（陇东学院，甘肃 庆阳 745000）

矿井提升机是矿井生产中的主要设备之一，是井下与地面之间运送物料及人员的纽带。《煤矿安全规程》对提升机的运行、维护有着严格的要求，规程明确规定，提升机必须设置松绳保护，并将其接入安全报警回路，当出现钢丝绳松弛时能自动检测报警并能够停止提升机运行[1]。缠绕式提升机的提升容器和提升机运行速度不一致时，钢丝绳由于自重下垂，可能会伴有钢丝绳扭结现象。钢丝绳松弛到一定程度时，若提升容器突然下落，则钢丝绳在巨大的冲击作用下可能断裂造成坠箕斗事故。因此，对于松绳现象的检测尤为重要。现有的检测方式也较多，其中机械开关式松绳保护装置是在缠绕机下方设置行程开关，钢丝绳松弛下垂后会触碰该开关，接通保护控制回路，该保护检测的特点是安装简单、方便，但是缠绕式提升机在运行中钢丝绳会发生左右及上下抖动容易造成开关误动[2]；光电式松绳保护采用光电开关检测松绳状态，当松绳下垂时，钢丝绳会遮挡光路，光电开关输出状态改变启动松绳保护回路，但是这种开关易受粉尘、油污、光强等环境影响引起误动作[3]。因此，针对环境因素对检测开关造成的误动作及工作可靠性，提出应用接近开关来检测钢丝绳的松弛下垂状态，通过单片机实施监控采集数据判断松绳状态来实现松绳保护。

1 系统总体方案

系统总体设计方案如图1所示，该检测装置主要由两个接近开关，光耦、独立键盘、单片机控制器、输出的声光报警器等部件组成。通过在出绳口安装两个接近开关，这两个接近开关实时检测钢丝绳的松弛下垂状态，当钢丝绳松弛有下垂时，通过安装在钢丝绳下面的接近开关输出信号给单片机，单片机根据预设的延时及通过两个接近开关读入的检测状态来判断是否发生松绳现象，如果经过比较运算确定发生的是松绳而非干扰抖动，则输出信号给上位机，同时接通提升绞车安全回路和声光报警回路。

图1 总体检测方案

2 硬件电路的设计

2.1 主控制器设计

根据系统控制检测要求，要实现钢丝绳松弛检测，并判断是发生松绳还是抖动干扰信号，需要控制器来读入接近开关输出信号，并要通过适当小延时来判松绳状态，由此来接通保护及报警回路，所以运算量小，输入输出回路少，采用小型单片机可以满足控制系统要求。本系统选用STC89C52RC单片机作为控制器的核心。芯片引脚如图2所示，STC89C52RC是宏晶公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K在线系统可编程Flash存储器，性价比高[4]。可实现对接近开关输出信号以及键盘输入的按键信息有效处理。

2.2 键盘电路

键盘电路主要应用于实际运行及调试时参数的设定[5]。系统设置了两个接近开关，这两个接近开关检测范围不一致，并有小延时，延时参数的设置需要键盘输入并根据实际情况进行调整。键盘与单片机接口如图3所示，采用简单的独立键盘即能满足使用要求。

图2 STC89C52RC单片机最小系统

图3 键盘输入电路

2.3 接近开关

图4 接近开关安装示意图

本系统传感器主要作用是检测钢丝绳是否发生松弛及绞绳等意外情况。根据检测环境及钢丝绳在矿井出绳口移动特点，选用接近开关来实现钢丝绳松弛检测，接近开关安装在出绳口钢丝绳下方一固定位置。工作时无需与运动的钢丝绳直接接触，当钢丝绳松弛下垂靠近检测开关感应范围，接近开关即有开关量的输出，本系统选用电容式接近开关，该开关把被测量通常构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，当它接近时，使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得输出状态也随之改变，这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点[6]，适用于矿井工作环境。安装位置示意图如图4所示，在出绳口安装两个接近开关，两个接近开关位置不同，量程不一致，松绳位置如图所示，可以通过两个接近开关分别判断是属于运行的干扰抖动现象还是松绳造成的下垂状态。本系统选用OMRON电容式接近开关E2K-C25ME1，检测范围25mm，供电电压12V～24V，输出直流三线式，通过光耦直接和单片机IO口连接。能满足使用要求。

3 软件设计

主程序流程图如图5所示。根据实际松绳状态的检测过程，首先要对检测距离等参数进行初始化，随后单片机要扫描独立键盘输入状态是否有参数设置及启动操作，一旦启动，两个接近开关开始检测钢丝绳松弛下垂是否进入检测范围，实际运行中由于钢丝绳会发生抖动，接近开关1安装位置距离钢丝绳位置较近，首先检测到松绳信号时，可认为是抖动造成的，如果经过小延时后钢丝绳落入安装较远的接近开关2的检测范围，则可以判定发生了松绳，发出故障信号并停机。如果接近开关1首先检测到信号而经过小延时后接近开关2没有检测到信号，则认为是干扰，没有发生松绳。延时大小可以经过实际现场调试确定。

图5 程序流程图

4 结论

设计一种基于单片机的矿井松绳检测装置，该装置通过接近开关实现松绳监测，由单片机比较判定松绳故障，将信号提供给上位机的松绳保护装置。测试结果表明该该装置能够达到松绳保护的要求，运行可靠，灵敏度高，体积较小，安装调试维护方便，成本相对较低，可以推广使用。