一种胶带机防掉人保护系统的研究

来源 :中国电气工程学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wudizeng
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  摘要:
  煤矿用胶带机保护装置在井下自动化运输过程中应用非常广泛。常用保护装置包含但不限于: 防滑保护,堆煤保护,跑偏保护,温度保护,烟雾保护,超温洒水保护,防撕裂保护,张紧保护等。矿用胶带机防掉人保护系统也是胶带机保护中的一种,它主要为了解决当人员掉落到胶带机上并接近其敏感位置时,此保护装置能够通过无线测距和定位,快速准确识别到人员信息,同时报警或者停止胶带机的运行,并就地发出声光报警和向胶带机沿线进行预警播报发生位置和人员信息,避免灾难发生。
  关键词:煤矿 胶带机保护 无线测距和定位 防掉人。
  Abstract:
  The protective  device of belt conveyor used in  coal mine is widely used in the  process  of underground  automatic  transportation.
  Common  protection  devices  include  but  are not limited to: anti slip protection,  coal stacking protection,  deviation  protection, temperature  protection,  smoke  protection, over   temperature sprinkling protection, anti tearing protection, tension  protection, etc. Protection system against of mine belt conveyor is also a kind of conveyor protection. It is mainly used to solve  the problem that when a  person falls  on  the conveyor  and  is  close  to  its  sensitive position, the protection device can quickly and  accurately  identify  the  personnel information n through  wireless positioning, Warning or stop the operation of the belt conveyor , and send out sound and light alarm  locally  and alarm along the  conveyor Fault location and  personnel  information to avoid disaster.
  Key words:  coal  mine  belt  conveyor protection,  wireless distance measurement and positioning, preventing people from falling off
  1.引言
  一直以来,矿山自动化为了解决胶带机沿线各种设备故障的自动检出问题,应用了很多新技术以及新的方案,并且达到了预期良好的效果。但是胶带机沿线仍然存在一些可能的隐患,至今还没有被覆盖到。无数的科技人员正在为了解决这些可能发生的风险而在各自的岗位上奋斗着,其中胶带机防掉人保护也是其中一个可能的风险,需要尽快制定切实可行的解决方案来避免将来事故的发生。
  本次研究的目标是设计一种胶带机防掉人保护系统, 当发生人员掉落到胶带机
  上后,可以被系统自动识别,并且产生连锁动作,可以产生报警或者停止胶带机运行,并可以使得与该胶带机连锁的相关设备,进行必要的联动,从而既可以保障人员安全,又可保证设备安全,把对矿山生产带来的影响,降低到最小,从而实现矿山安全高效生产目的。
  2.系统设计
  矿用胶带机防掉人保護系统由以下设备构成:
  (1) 无线人员定位基站
  该装置可以自动识别接近该设备的人员,并获取人员和装置之间的距与位置。具备通讯接口,把检测信息提供给远程的保护和监控系统; 具备关量输出能力,接入沿线设备,可以产生急停。具备就地声光报警功能,具备模拟量输出功能。
  (2)无线标签
  该装置可以由人员佩戴,当该标签进入无线人员定位基站探测范围后,可被无线人员定位基站定位。
  (3)无线/有线基站
  该装置至少可以支持RS485接口,以太网口,提供无线人员定位装置通讯接入,基站通过光纤可以接入井下环网。
  (4)下位机
  下位机至少可以提供急停功能,下位机急停线和无线人员定位装置的急停线连接,使用硬件触发来降低系统反应时间,开关量或者模拟量,并可通过CAN总线与监控主机通讯。
  (5)监控主机
  监控主机的功能是执行胶带机,转载机,刮板机的启停和保护功能。在本系统中,主要使用它的急停,CAN通讯,MODBUS-TCP或 MODBUS-RTU通讯,来设置无线人员定位装置并响应无线人员定位 装置的急停处理,和对沿线进行语音预警播报,同时实时读取无线人员定位装置信息,在监控主机主屏上进行显示。系统模型如下:   (1) 无线人员定位基站
  无线测距和定位技术是无线人员定位基站的核心技术。要求定位精度高,定位速度快,对外界环境条件耦合性低,且生产制造工艺不能太复杂,具有很好地可维护性。
  室内人员测距和定位技术通常为Wi-Fi定位,蓝牙定位,RFID定位,UWB定位等。影响定位的主要环境因素为: 障碍物,噪音,多径效应,粉尘颗粒等。
  1)WI-FI 定位
  WI-FI 定位技术另一种常用算法为指纹定位算法,就是先对信号源周围的空间距离进行大量信号强度采集,建立一个巨大数据库,当新加入的设备进入该区间后,测量该设备的信号强度,再对数据库中的数据进行匹配,来确定设备位置的方法。经过实际测试,指纹算法的平均误差一般在2m ~ 8M 之间。特点是仅依赖于现有WIFI网络,受非视距离(NLOS)影响小,造价低,实现简单,测量精度在米级,测量最大距离受WI-FI信号覆盖距离影响。
  2)蓝牙定位
  蓝牙定位原理是基于RSSI(信号场强)值,主流室内定位技术主要使用网络侧定位。网络侧定位系统由蓝牙终端(例如 Beacom,定位标签等),蓝牙网关,无线局域网和数据服务器构成。事先知道蓝牙网关的坐标位置,通过蓝牙终端的RSSI值计算距离,后端数据服务器通过解析计算蓝牙终端信息和RSSI值,得到蓝牙终端的位置信息。特点是设备体积小,造价低,功耗低,受非视距离(NLOS)影响小。测量精度在米级,测量稳定性容易受噪声干扰。蓝牙规范目前最高版本是5.0,其定位精度在2M,蓝牙组织准备推出5.1标准,此标准定位精度可以达到厘米级。
  3)RFID定位
  RFID定位常用的定位方式为RSSI,其原理是射频信号的衰减量与距离的平方成反比。已知发射信号的功率,通过检测接收信号的功率强度,即可得到信号传输的距离。其缺点是: 接受的信号容易受到环境影响,比如多径干扰,LOS等,定位精度低。 此算法比较有名的是LANDMARC:采用有源RFID的位置感应。
  4)UWB定位
  UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。中国使用的频段分布在6.0 到 9.0G HZ UWB芯片的主要供应商为Decawave/ BeSpoon/ Novelda. 其测距方法通常使用双边双向(SDSTWR)测距。
  其计算公式为:
  假设: 设备A主动发起第一次测距消息设备,设备B接收设备A的消息,并反馈给设备A消息,设备A接收消息后,再次发送消息给设备B
  Tround1:设备A发送消息的时间到设备A接收到设备B反馈消息时间
  Treplay1:设备B接收到设备A的消息,到设备B反馈消息给设备A时间
  Tround2:设备B发送反馈给设备A时间到设备B接收设备A时间
  Treplay2:设备A接收到设备B反馈时间到设备A发送消息给设备B时间
  双边双相飞行时间误差分析公式:
  通过该方式,理论测距误差在ps级别。UWB定位技术采用TOF 定位方式,有零维定位,一维定位,二维定位,三维定位等。
  无线人员定位基站的组成如下:
  无线人员定位基站中集成了无线测距模块和中央处理器,通过无线测距模块对标签进行测距,后由中央处理器根据多个定位模块的数据进行逻辑运算,从而输出定位信息。
  无线人员定位基站对外提供RS485接口,支持ModelBusTCP/RTU协议,对外提供点表查询接口。
  常开和常闭端口对外提供急停和查询接口。如果人员突然接近基站,会导致常开点和常闭点翻转,触发沿线急停。
  本基站设计为可以同时查询多个标签,低延时,测试精度在厘米级别。
  本系统中拟定无线人员定位基站可以安装于敏感位置的入口处,防止人员误掉入。
  (2)无线标签
  本系统中,无线标签采用有源标签,采用TDOA算法,降低时钟同步带来的误差,标签采用闲事长时间定时唤醒机和忙时短时间唤醒方式,降低本身的功耗,达到长时间待机的效果。充电方式采用无线充电,便于大量标签的集中充电管理,电池可以连续工作20天,减少充电次数,延长电池使用寿命。
  无线标签为工作人员随身携带,一般要求安装在人员腰部,这样既可以减少标签被物品或者障碍物遮挡的可能性,也达到减少对于工作妨碍的目的。
  当标签在报警范围外(标签0位置),标签每隔10s唤醒一次;
  当标签进入报警区域(标签1位置),标签每100ms唤醒一次;此时触发服务器对沿线报警,同时本地的无线定位设备自报警。
  当标签进入警区域(标签2位置),标签不休眠;此时触发服务器对相关沿线设备控制急停。
  (3)无线基站和下位机完成数据的传递。
  无线基站提供485接口,光纤接口,以太网接口,电源接口等。
  无线人员定位基站通过485接口接入无线基站,无线基站通过光纤和交换机接入井下环网,可实现服务器对于无线人员定位基站的配置和状态,数据的查询等。
  下位机提供电源输入/输出,多路开关量和模拟量的输入输出;CAN通讯,急停,闭锁接口等。下位机通过级联实现皮带沿线通讯和控制;下位机可以提供对于无线人员定位基站的供电,并接入无线人员定位基站的模拟量和开关量,实现数据查询和紧急情况发生时的急停动作。
  (4)监控主机
  监控主机为整个系统的服务器端,采用嵌入式计算机,有10.4寸显示屏及防爆键盘模块,可以保证系统运行时所有人的机交互的工作顺利进行,包括系统运行状态、有效设备的运行状态实时显示、设备运行信息的报警和记录等。有多路模拟量和开关量输入或者输出端口,主要用于井下各种膠带机的启停控制,胶带机沿线状态监控和保护,关联设备的连锁动作,以及连接无线定位基站,并对其进行监控。监控主机具有声光报警模块,并可以对所有控制沿线进行语音播报;监控主机通讯接口为多个标准RS485和标准以太网口,可以直接和具有通讯接口的设备通讯,也可以实现以本设备为网络节点中的一员,与其他客户端或者服务器实现信息共享。   下面从三个方面阐述控制器在应用中作用。
  1).参数设置
  为了确保在不同工况下都可以使用该设备,监控主机采用了灵活配置参数的方式。主要的参数如下图所示,如无线人员定位基站安装位置、人员接近距、报警或者停车阀值、报警触发或停车触发设备所应执行策略和连锁方式等等,可以根据工况可自行设定。
  2). 数据采集和处理
  为了确保防掉人信号响应可靠,控制器接入了三路信号,分别是实时距离模拟量信号、常开开关量信号、常闭开关量信号,如图所示。一级保护:实时距离值。此时将人员距离防掉人基站的距离分成三个等级,安全距离,报警距离,停车距离。为了防止数据震荡,增加数据点平滑处理算法,快速准确的得到当前真实距离。二级保护:正常常开信号。当实际值小于等于停车距离,防掉人基站直接将信号闭合,控制器检测闭合信号,停车。三级保护:正常常闭信号。当实际值小于等于停车距离,防掉人基站直接将信号断开,此时控制器的急停线被断开,设备停车。此三级保护是逐层递进的,加强系统可靠性。
  3).报警
  为了将报警信息准确直观的反应给工作人员,本控制器会反馈处三种信息。语音、有色光线和显示器上文字提示。在报警或者停车时,控制器的声光报警器会发出报警内容,同时发出一定频率的有色光线。语音内容和光线频率可配置。在控制器上显示常开信号动作值、人员接近报警值、人员接近停车值,以及实时距离值。并且在报警或停车后,显示详细报警或停车信息,包括人员标签号、防掉人基站号、信号产出时的实时距离、以及时间等。解除报警后,信息清除,但是在历史信息及历史曲线中分别可以查询到事件信息和发生概率。
  3.系统现场应用
  胶带机防掉人保护系统在地面和井下进行了现场测试,经过测试验证,人员识别率100%; 警告区域,识别速度<0.5s,监控主机位置跟随反应速度<1s;危险区域,识别速度<100ms, 监控主机沿线急停时间小于100ms.
  井下测试中也发现了一些实验室未暴露的其它问题,需要向后继续改进。
  4.结束语
  胶带机防掉人保护系统为解决胶带机防掉人保护提供了一种方法和经验积累,也希望通过我们对于此技术的研究为更多在此方面探索的研究人员提供更多的启发。胶带机防掉人保护系统虽然已经在矿上进行了现场测试,并且达到了预期的效果,但是还需要在此基础上,不断地改进系统的性能,扩展应用局限性。随着新技术和新设备的产生和服务于生产,在不久的将来,期待该技术还会有更加长足的进步。
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