煤堆溫度多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

蔡可健

(江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系,江蘇淮安　223001)

　　摘要:針對煤炭露天存放可能發(fā)生自燃的情況,討論了可行的溫度監(jiān)測新途徑,設(shè)計出了一種一拖十多點(diǎn)多路無線測溫系統(tǒng)。通過該測溫系統(tǒng),工作人員在一個地方就能夠監(jiān)測到多處異地的煤堆溫度,監(jiān)測范圍大于80m,常溫測量誤差小于±0.5℃。,省時省力,測量方便,并易于和其它裝置連接,從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制。

關(guān)鍵詞:煤堆;溫度傳感器;多點(diǎn)測溫;無線電　　

引言

按時間的先后順序一一發(fā)射所測到的溫度。各發(fā)射機(jī)除測溫發(fā)射時間段設(shè)定得不同之外,其它各參數(shù)全部相同。公用接收機(jī)在不同的時間段內(nèi)接收到的是不同的發(fā)射機(jī)發(fā)送來的信號,在同一時間段內(nèi)的不同時間接收到的則是同一發(fā)射機(jī)發(fā)送的不同測溫點(diǎn)的溫度信號。例如,在每天的Δt11時間段內(nèi)接收機(jī)依次顯示的是1號發(fā)射機(jī)測量到的10個點(diǎn)的溫度,在Δt21時間段內(nèi)接收機(jī)依次顯示的是2號發(fā)射機(jī)測量到的10個點(diǎn)的溫度。

如果能對煤堆內(nèi)部的溫度實施監(jiān)控,就可以避免內(nèi)燃事故的發(fā)生。針對該問題,并考慮到煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)時發(fā)射機(jī)回收的方便及其系統(tǒng)成本,筆者設(shè)計了一種一拖十多點(diǎn)多路無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個定時發(fā)射機(jī)和1個公用接收機(jī)組成,每個定時發(fā)射機(jī)拖動10個測溫點(diǎn)。在堆煤的時候把發(fā)射機(jī)插到煤堆內(nèi)的各個不同位置,發(fā)射機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的時間段把所測定的溫度每天按時發(fā)送給接收機(jī),因而工作人員在工作室內(nèi)就可以觀測到每個煤堆內(nèi)各測試點(diǎn)的溫度,并實施控制。系統(tǒng)電路還設(shè)有警戒溫度自動閃爍報警功能。經(jīng)過試用實踐,證明效果良好。1　多點(diǎn)多路無線測溫實現(xiàn)方案一拖十多點(diǎn)測溫發(fā)射,是在1條空心細(xì)直桿上均勻地設(shè)置10個測溫點(diǎn),桿的頂端安裝1個定時發(fā)射機(jī)。10個測溫點(diǎn)的感溫電路與發(fā)射機(jī)有線連接。測溫方案如圖1所示。該方案與單路測溫發(fā)射的根本區(qū)別在于每個發(fā)射機(jī)都含有定時自動測溫發(fā)射功能,在不需要測溫發(fā)射的時間段處于關(guān)閉狀態(tài),到了測溫發(fā)射時間段就自動開啟發(fā)射。　　              綜合考慮設(shè)備成本和抗干擾性能,采用頻率信號作為系統(tǒng)的無線傳送信號。所以,每個發(fā)射機(jī)在其工作的時間段要把測到的溫度信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率并調(diào)制載波,而后發(fā)射到空中。接收機(jī)則把接收下來的信號解調(diào)后:一路要把頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓去驅(qū)動顯示電路;另一路直接送給報警電路,由報警電路根據(jù)預(yù)先設(shè)定的警戒溫度(頻率)決定是否需要發(fā)出警報。

圖1　一拖十多路無線測溫系統(tǒng)示意圖

2　系統(tǒng)電路設(shè)計2.1　一拖十定時發(fā)射電路

CD4017的Y1端(2腳)輸出高電平,其余輸出端為

一拖十定時發(fā)射電路框圖如圖2所示。溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路把測量到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,經(jīng)十路時序選擇開關(guān)傳送給電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路,由它再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率,然后傳給調(diào)制發(fā)射電路去調(diào)制載波。時間控制電路按照預(yù)先設(shè)定的時間控制發(fā)射電路的工作及十路時序選擇開關(guān),實現(xiàn)在發(fā)射機(jī)工作時間段內(nèi)不同的時間點(diǎn)其電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路能和不同測溫點(diǎn)的溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路接通。

圖2

與Y1相接的三極管飽和導(dǎo)通,對應(yīng)的繼電器得電工作,*個LM45C集成溫度傳感器和電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路接通,其余9個LM45C集成溫度傳感器不通。到了單片機(jī)輸出低電平時,繼電器也斷電停止工作,10個LM45C集成溫度傳感器與電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路之間全部斷開。其余依次類推。CD4017是循環(huán)計數(shù),所以投入工作前可以不清零[3]。

電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路采用由微功耗集成電路CD4046。它輸出的方波脈。它的9腳輸入電[2]。由于它的輸入電壓LM45C的輸出電壓,所以,該壓f也正比于溫度傳感器測量到的溫度T,即,　　4低功耗單片機(jī)。它內(nèi)含中央處理器、算術(shù)邏輯單元、6個輸入輸出口、8KB只讀存儲器、256B讀寫存儲器、鎖存器和電壓鑒別器。4EC8700單片機(jī)僅僅處理與時間有關(guān)的數(shù)據(jù),它可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間程序輸出高、低電平[4]

f=kT

式中:k由電路的參數(shù)決定,對于給定的電路它是一個定值。

調(diào)制發(fā)射電路采用TWH630無線發(fā)射模塊。它的工作電流小于4mA,射頻輸出約為10mW。內(nèi)置天線,能穿透建筑物的阻隔,有效發(fā)射。

10個溫度/電壓轉(zhuǎn)換電路都采用LM45C集成溫度傳感器。它的輸出電壓與攝氏溫度成正比,測量范圍為2.5～100℃,靈敏度為10mV/℃,無需調(diào)整和標(biāo)定[1]。其輸出電壓U0(V)與測量溫度)的關(guān)系:U0=10T(℃-2距離大于80m,發(fā)射頻率為265MHz[3]。4EC8700單片機(jī)輸出高電平時,發(fā)射電路得電而開始工作,把測到的溫度發(fā)送出去。單片機(jī)輸出低電平時,發(fā)射電路斷電而停止工作。單片機(jī)輸出與十路時序選擇開關(guān)同步,其連續(xù)控制發(fā)射電路依次發(fā)射10次后才長時間停下來。

2.2　一拖十無線接收電路一拖十無線接收電路框圖如圖3所示。接收解調(diào)電路把接收的信號解調(diào)后,一路傳送給頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路,另一路傳送給單頻率檢測電路。頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路把頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓,再傳送給顯示電路。顯示電路根據(jù)不同的電壓顯示出對應(yīng)的溫度。單頻率檢測電路檢測到輸入的信號頻率與其壓控振蕩頻率一致時,就向報警電路傳送信號。報警電路開始工作,發(fā)出報警信號。單頻率檢測電路的壓控振蕩頻率可根據(jù)需要報警的溫度預(yù)先設(shè)定T。

圖3　一拖十無線接收電路框圖

每個LM45C集成溫度傳感器的輸出端都經(jīng)過1個受時間控制的開關(guān)KM(繼電器的常開觸點(diǎn))接到電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路的輸入端。10個KM開關(guān)在單片機(jī)輸出高電平的時間內(nèi),只有1個閉合;在單片機(jī)輸出低電平的時間內(nèi)則全部斷開。

十路時序選擇開關(guān)電路主要由集成電路CD4017、繼電器KM0～KM9及其10個驅(qū)動三極

管構(gòu)成。CD4017為單端輸入十進(jìn)制計數(shù)、分配輸出集成電路。計數(shù)狀態(tài)由CD4017的10個譯碼輸出端Y0～Y9顯示。每個輸出狀態(tài)都與輸入計數(shù)器的時鐘脈沖的個數(shù)相對應(yīng)。時鐘脈沖由4EC8700單片機(jī)提供,從CD4017的CP端(14腳)輸入,采用脈沖的上升沿計數(shù)。CD4017的輸出端Y0～Y9分別接繼電器的驅(qū)動三極管的基極,驅(qū)動三極管的集電極接繼電器工作線圈。單片機(jī)輸出*個高電平時,CD4017的14腳也得到*個脈沖。于是,接收及解調(diào)電路采用和TWH630相對應(yīng)的無線接收模塊TWH631。它接收到發(fā)射機(jī)發(fā)送來的射頻信號后,其輸出端輸出解調(diào)后的方波脈沖。頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路采用由集成電路NE555構(gòu)成的一個單穩(wěn)態(tài)振蕩器。設(shè)它輸出的方波脈沖峰值為Up、脈沖寬度為tw,則可計算出它輸出的直流電壓為UD=Uptwf式中:f為振蕩頻率,等于輸入的觸發(fā)脈沖頻率。由于Up和tw是固定的(由電路的參數(shù)決定),所以該電壓與頻率成正比。因此,通過適當(dāng)選擇電路的各參數(shù),就能使表頭直接顯示出對應(yīng)的溫度。

單頻率檢測電路采用具有鎖相環(huán)路的音頻譯碼器LM567。它能對送入的方波脈沖進(jìn)行頻率解碼。當(dāng)送入的方波脈沖頻率與它的壓控振蕩頻率一致時,LM567可靠解碼,警戒溫度(頻率)成電路M5232L。蕩器和穩(wěn)壓電路、1腳輸出穩(wěn)定的4V電壓[1]。7腳輸入電壓低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時,6腳輸出低電平,驅(qū)動壓電蜂鳴器發(fā)出報警聲,同時,內(nèi)部振蕩器開始振蕩,由3腳驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍發(fā)光。

3　時間設(shè)定

4EC8700單片機(jī)的時間程序?qū)懭爰皩懭霑r的控制形式。調(diào)校完畢后,按1次“校時”鍵,顯示屏恢復(fù)正常的顯示走時狀態(tài)。按“控制選擇”鍵,可把按設(shè)定時間的自動控制轉(zhuǎn)換為手動控制。

4　測試驗證保持被測試點(diǎn)的溫度不變,不同的接收距離接收到的溫度如圖4所示。圖4中曲線表明,在有效距離內(nèi)其接收溫度與接收距離沒有關(guān)系。接收距離固定在60m時,被測試點(diǎn)的實際溫度與接收到的溫度如圖5所示。從圖5中的曲線可知,在20～50℃。,對25℃及40℃20℃及高于50℃的區(qū)。其誤差主要來源,測試的結(jié)果都在允許的誤差范圍內(nèi)。

圖4不同接收距離的溫度曲線

顯示通過電子鍵盤SB1-7及液晶顯示屏LCD完成。單片機(jī)的M1腳分別與P2～P4腳鍵連接,實現(xiàn)“控制選擇”及“定時”、“校時”。M2腳分別與P1～P4腳鍵連接,實現(xiàn)“復(fù)位”及“分”“、時”“、周”。

(1)時間調(diào)校。正常情況下,液晶顯示屏LCD顯示的是正常走時狀態(tài)。按住“校時”鍵,同時分別按“周”鍵,調(diào)校星期;按“時”鍵,調(diào)校小時;按“分”鍵,調(diào)校分鐘。

(2)定時調(diào)校。按1次“定時”鍵,液晶顯示屏LCD開始顯示定時狀態(tài)。這時可設(shè)定每只發(fā)射機(jī)　

圖5　60m接收距離時的溫度曲線

每天的每次測溫開始時間“ON”和結(jié)束時間“OFF”(即輸出高電平的開始時間和結(jié)束時間)。連續(xù)按“時”鍵,調(diào)校小時;連續(xù)按“分”鍵,調(diào)校分鐘。當(dāng)調(diào)校完*次測溫的開始時間“1ON”后,再按1次“定時”鍵,依照相同的方法調(diào)校*次測溫的結(jié)束時間“1OFF”。4EC8700單片機(jī)所設(shè)定時間按每天24h循環(huán)工作,能提供多達(dá)16對可設(shè)定的開關(guān)時間。若只用其中的幾對開關(guān)時間,其余不用的時間段按“復(fù)位”鍵將它們凍結(jié)起來。連續(xù)按“周”鍵,調(diào)校每周的　

5　結(jié)論

本文設(shè)計的一拖十多點(diǎn)無線測溫系統(tǒng)不僅克服

了有線測溫的種種不便及傳輸導(dǎo)線給溫度測量帶來的影響,而且實現(xiàn)了多點(diǎn)循環(huán)測量。測量精度能夠達(dá)到煤炭存儲的要求,并可在因溫度超限需要報警時,進(jìn)行正確的報警控制。該系統(tǒng)有效地提升了煤炭存儲日常管理的技術(shù)水平。

工礦自動化　

圖1　工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成示意圖

1　萬利一礦的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)簡介

,以及綜合自動化系統(tǒng)在煤礦中減員、增效的現(xiàn)實意義,國內(nèi)很多的大型現(xiàn)代化礦井裝備了全礦井綜合自動化系統(tǒng),神華萬利分公司萬利一礦也不例外。

萬利一礦的綜合自動化系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu):信息層、控制層、設(shè)備層。信息層由原有局域網(wǎng)構(gòu)成,采用硬件和軟件防火墻隔離控制層和設(shè)備層,提供礦井綜合自動化控制系統(tǒng)的Web瀏覽功能。控制層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng),設(shè)備包括冗余服務(wù)器、核心交換機(jī)和井下一般型礦用工業(yè)交換機(jī)、防爆型工業(yè)交換機(jī)等。設(shè)備層采用AB公司的controlNET、DE2VICENET總線及RS485總線。

萬利一礦全礦井綜合自動化系統(tǒng)中的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采用單環(huán)網(wǎng)形式,從副井和主井經(jīng)過工作面各敷設(shè)1條光纖,在設(shè)備控制集中地點(diǎn)及監(jiān)測系統(tǒng)分站集中地點(diǎn)設(shè)置交換機(jī),如圖1所示。具體的交換機(jī)配置:調(diào)度室配置性能較高的核心交換機(jī)(Hir2schmannMACH3005);地面新通風(fēng)機(jī)房(Hir2schmannMS3124)、洗煤廠(HirschmannMS3124)、通風(fēng)機(jī)房(HirschmannMS3124)分別設(shè)置交換機(jī);井下采用本安型交換機(jī),如KJJ58本安型交換機(jī),該交換機(jī)的核心為Hirschmann交換機(jī),可與Hir2schmann交換機(jī)無縫連接,可布置在中央變電所、采區(qū)中央變電所膠帶中部、井底變電所等場所。

萬利一礦的安全監(jiān)測系統(tǒng)采用天地科技股份有限公司常州自動化分公司的KJ95型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng),其主傳輸為RS485總線方式。本文主要介紹KJ95型煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)作為全礦井綜合自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng),通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)接入全礦井綜合自動化系統(tǒng)的方法。

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