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一种矿用动态轨道衡系统的分析与设计

发布时间:2022-01-13 16:59:09 |来源:网络转载

动态轨道衡系统的结构和实现方法,并设计了一套适应于矿山生产环境下的动态轨道衡监控系统,包括将传统的模拟信号传输改为更为稳定的数字信号传输,基于RS485的现场总线工作模式以及采用轮计重的计量方式,这些技术的改进使系统更加适合于矿山生产环境。

轨道衡是安装在轨道上用来对通过列车的装载货物进行计量的设备,分为静态轨道衡与动态轨道衡两类,动态轨道衡是指对行进中的轨道货车进行称量,并对称量数据进行动态处理的衡器。我国轨道衡计量技术出现于1954年,当时的轨道衡主要为机械静态轨道衡;到上世纪70年代末期我国开始出现动态电子轨道衡,但受当时国产传感器和电子元器件质量的制约,计量性能和稳定性并不理想;目前我国的轨道衡产品市场已经十分繁荣,轨道衡技术发展迅速,在许多领域都有应用。但是能够适合贵州这种特有的地理环境的矿山企业生产的产品却并不多。

目前市场上的自动轨道衡产品大多是针对于铁路计量的应用需求,其计量对象质量大、基础施工条件好、列车运行状态平稳、车辆保养状态良好。与铁路轨道衡的对比,因煤矿环境恶劣,将自动轨道衡技术应用于矿车测量的技术难度很大。这是矿山存在轨道不平直、车辆养护状况差、车轴、车轮变形严重、现场电磁环境复杂、矿车无缓冲装置、冲击大、基础施工条件差等一系列异常因素造成的。因此到目前为止国内还没有适于矿山轻轨衡计量的成熟产品,而煤炭等矿山的精细化管理已成为当前亟待解决的重大问题。

本文将结合信息技术与传感器技术,对现有轨道衡系统存在的问题进行技术改进,设计一套适合于矿山生产环境的动态轨道衡产量监控系统。

1系统概述

本系统根据工业应用的需求,通过在煤矿出煤井口安装高精度称重传感器,配置前端数据采集系统,负责采集计量数据以及现场监控图像数据。并通过数字网络链路,将现场测量数据、监控图像数据集成后,实时传送到监控中心服务器上。监控中心服务器接收、存储并自分类、汇总各个煤矿的产量数据,煤矿各管理部门根据监控中心分配的权限,查询和打印煤矿产量的实时监控数据。整个系统由四大子系统集成,分别是:称重子系统,视频监控子系统,传输子系统和数据利用与显示子系统。

1)称重子系统:煤矿在轨道适宜计量处布置称重传感器,称重传感器将重量外力变换为电信号,经ADC转换为数字信号,通过前端数据采集系统将产量数据存储于本地并传送到监控中心,实现24小时连续自动称重计量。

2)视频监控子系统:将监控点高清日夜两用摄像机获得的图像,通过前端数据采集系统传送到监控中心,能够对煤矿出煤情况进行24小时不间断的监控。

3)传输子系统:负责接收现场传感器信号、分析和处理称重数据、将图像信息和称重数据通过光纤网络上传到远程电子监控中心。

4)数据利用与显示子系统:将前端的计量数据解析、入库、统计汇总,实现产量数据、设备工况信息实时显示、故障自动报警等功能。

2技术要点

2.1信号传输方式

本系统利用前端的“数据采集器”接收传感器输出的毫伏级电压信号,在采集现场经过高速ADC转换器将毫伏级电压转换后转变为数字信号,通过485通信协议将数字信号传输给计量控制器。这种方式很好的克服了传统轨道衡系统因采用模拟信号传输而造成的信号传输距离短、抗干扰性差等问题,其具体优点为:1)传输距离远RS-485接口的最大传输距离标准值为1219米,实际上可达3000米,远远超出传统方式150米的传输限制。采用新方案后,监控设备一般情况下可直接安装在煤矿现有的监控室内,无需煤矿新建或改建其原有的监控室。电信部门也无需进行工作点光纤的延伸工作。

2)信号传输抗干扰性强

RS485通信属于数字通信范畴,具有传输距离远、抗干扰能力强、称量准确度高等特点。数字信号只有“0”、“1”两个电平,数字化后的信号是用若干位二进制的两个电平表示,因而在连续处理过程或在传输过程中引入杂波后,其杂波幅度只要不超过某一额定电平,通过数字信号再生,就可以把它清除掉,即使某一杂波电平超过额定值,造成误码,也可以利

用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以,在数字信号传输过程中,不会降低信噪比,确保数据在传输过程中的准确。

2.2信号控制方式

传统的轨道衡系统采用的是“点对点”的设备连接模式(单台工作模式)。即1台计量控制器只能对应1台信号变送器。每条轨道均需安装独立的计量控制器、信号变送器以及前端的传感器。点对点的连接模式以及传输距离的限制会使得整个项目的工程投资费用增大。在多轨模式下必须为每条轨道安装单独的监控设备。监控设备安装数量因轨道数量的增加而增加,从而加大了用户的使用成本。这样做还增大了施工以及维护的难度,施工时每条轨道上的计量控制器都要单独安装、调试和设置,同时也会增加其后期出现故障设备的概率,增大后期维护的工作量。

本系统技术方案采用基于RS485的现场总线工作模式:1台计量控制器可配接多台数据采集器,从传统的“单点”连接方式变为“多点”连接模式,使系统具有多站能力。本系统采用RS485的组网方式。RS485总线接口作为多点、差分数据传输的电气规范,现已成为业界应用较为广泛的标准通信接口之一。

1)具有多站能力,部署灵活。

RS-485接口在总线上是允许连接多个收发器的,即具有多站能力。这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络,其部署的灵活性更强,在面对单轨、多轨复杂的出煤情况时,也能够依据实际情况灵活组网。这就降低了工程施工难度,同时也降低了煤矿的使用成本。

2)设备扩展性好

因采用“多点”的设备连接方式,针对技改矿井新增的轨道可以直接作为原有监控系统下的新采集节点,纳入到原有计量系统中来。其后期部署实施简单,投资小,不影响原系统的使用。

2.3计重方式

传统轨道衡系统多采用轴计重的方式,即每次过车时对前后轴分别采集4000至5000个数据,用于后期的重量计算。这种方式对环境的要求较高,基础使用条件好、列车运行状态稳定、轨道平直的铁路轨道衡多采用这种计量方式。但矿山存在矿车冲击大、轨道不平、轴变形、轮变形、运行状态不稳定等各种不利因素,因此在矿山环境采用轴计重的计量方式易导致判车不准、计量精度低等问题。

本系统技术方案采用轮计重方式,这种方式可以提高计量精度。在矿车通过传感器时分别对各个轮子的运行状态采集足够的样本数据,单独计算每个轮上的载荷最终得到整车重量。该方式具有采集的样本数据多的优点,同时能够有效处理矿车偏载、轮变形、轴变形、运行状态不稳定等各种不利因素,因此可以比传统的轴计量方式获得更高的精度。

3系统前端主要监控设备功能描述

3.1称重传感器

称重传感器将重量外力变换为电信号,实现24小时连续自动称重。当矿车经过称重传感器时,矿车皮重+矿车内物质重量作用在传感器弹性体(弹性元件,敏感梁)上,使传感器弹性体产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压0~20mV),从而完成了将重量外力变换为电信号的过程。

3.2数字化信号采集器

将mV信号转变数字485信号,满足数据稳定远距离传输。数字化信号采集器是一种将传感器输出的0~30毫伏信号经A/D放大转换成数字化得RS485信号,该信号采集器实现了电源、信号全隔离,具有传输距离远,抗干扰能力强等优点。工作电压范围宽,并具有良好的防雷性能。

3.3防“搭桥”作弊装置

煤矿产量监控系统现场采用了振动传感器或红外线的高科技防搭桥作弊装置。其原理是利用矿车运行过程中对地面产生振动原理,在矿车运输导轨下埋设振动传感器,监测车辆通过。该装置具有以下优点:

1)监控方式隐蔽,不易被矿主察觉。

2)完全埋设在地表下,不受环境影响,性能稳定。

3)对工作人员、轻车、重车自动识别,能有效监控矿主“搭桥作弊”情况。对矿主虚报出矿线路也能进行有效监控,解决多岔道出煤问题。

3.4计量控制器(控制箱)

控制箱负责接收现场传感器信号、分析和处理称重数据、将图像信息和称重数据通过光纤网络上传到远程电子监控中心。具有以下功能:

1)自动称重

采用单轴称重方式,矿车运行时前、后轴分别通过传感器单独称重,当矿车后轴完全经过传感器后系统把前、后轴重量相加,汇总单车重量数据。

2)矿车运行方向自动识别

矿车运行经过称重装置时,矿车前轴先作用于方向传感器,后作用于称重传感器,矿车后前轴也先作用于方向传感器,后作用于称重传感器,判定为矿车进矿方向。反之矿车前轴先作用于称重传感器,后作用于方向传感器,矿车后前轴也先作用于称重传感器,后作用于方向传感器,判定为矿车出进矿方向。3)速度动态误差自动补偿矿车动态通过称重传感器,不同速度下对传感器产生作用力不一样,系统自动测量矿车运行速度,自动补偿由于速度产生的误差影响。

4)煤与非煤(矸石)物质自动区分

系统自动将真实称重重量扣除矿车皮重得到称重物质的重量,该重量除以矿斗容积得到该称重物质的密度(比重)系数,根据预先界定范围(密度系数,通常由政府管理部门确认)确认该物质是煤或其他非煤(矸石)物质。

5)网络自检功能每次数据发送前与中心端建立Socket连接,等中心端准备好后发送数据,数据发送完毕后释放Socket资源,数据休眠期间,定时发送心跳包检测、维持中心线路通道。当检测到网络堵塞、断线、Socket连接未成功时,本地保存未发送数据、图片,待系统检测到网络通畅时,自动补发未发送数据、图片。6)24小时设备自检,故障弱化处理主控芯片采用ARM系列32位芯片设计,运行速度快,询址范围宽,对系统运行设备,传感器状态,控制器外网电源,主控板电源,储存器状态,控制器温度等,24小时3秒间断自检,当设备出现故障时向监控中心发送报警信息。同时对运行设备弱化处理,如传感器出现零点漂移时,意味传感器已出现故障,系统自动进行零点跟踪、自动校准称重装置,在等待故障处理过程仍能进行正常工作。检测到控制器出现高温状态,系统会自动调整芯片运行模式,降低功率运行或关闭辅助端口。

3.5雷击保护装置

系统独创防雷保护技术,解决系统被雷击的后顾之忧。该系统在矿山使用,容易受到感应雷击。主要防范380/220V低压系统,所采用的输电线路为10kV架空线路引入配变,再从配变低压侧经低压线路进入设备220VAC电网感应雷击的防范。架空电缆视频信号、传输信号电缆感应雷击的防范。室外运输导轨被空中带电云强电场的感生电动势冲击监控电子设

备感应雷击的防范。

4结束语

轨道衡技术对于我国的经济发展具有十分重要的意义,目前我国铁路运输80%的货运量都要经过轨道衡来进行计量,但是在矿山资源的生产,尤其是煤矿企业的生产中,信息监控的力度还远远不够,因此本系统的开发对于煤矿产业的健康发展有着十分重要的意义。该系统目前已应用于贵州省六盘水市的部分煤矿,经过在煤炭生产现场进行实地检测,系统能够适应矿山恶劣的生产环境,轨道衡的误差能够控制在3.0%以下,系统完全满足设计要求。目前整个系统运行良好,并产生了可观的经济效益。

 

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