矿灯智能充电管理系统设计_李雯婕.pdf

收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 3作者简介:李雯婕(1 9 9 1-),女,山西大同人,本科,2 0 1 8年7月毕业于中国矿业大学,助理工程师,研究方向:机电工程矿灯智能充电管理系统设计李雯婕(晋能控股煤业集团有限公司 煤峪口矿机电部,山西 大同 0 3 7 0 0 0)摘要:矿灯是指矿井下职工所用的照明用具,对矿灯的管理是矿井的一个基本内容,是煤矿安全生产的第一个环节。矿灯充满次数限制,在超过最大的充满次数之后,就必须进行更新,如果使用了超出年限的矿灯将给矿工井下作业造成安全隐患。针对矿灯充电柜安全、稳定性和可靠性高的特点,重新设计了层级清晰的系统结构,扩展性和实用性增强了。在系统结构的基础上,通过多种传送数据的方法,结合了严密的通讯逻辑和快捷有效的轮询制度,解决了传统矿灯数据收集不准确、单一总线传送数据出现故障后通讯失效的弊端,有效提高了通讯的效率和稳定性。关键词:矿灯;智能充电;管理系统;设计中图分类号:T D 6 2 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 2)0 3-0 0 4 6-0 4 目前部分矿井仍然通过充电架为矿灯充值,需人工负责管理矿灯、监视矿灯的使用状况,并自动录入采掘者上井下井信息内容,工作效率降低并且耗费了巨大的人力物力资源。所以改善矿灯的安全特性、更具有科学性的负责管理矿灯和智能信息管理采掘者信息内容,对矿井的安全和信息化更具意义。为适应矿井管理人员现代化、智能化、信息化和平安化的新要求,公司运用层次化、自动化、智能化管理思维,产品设计了使用分布式多总线传输的矿灯智能充值系统,通过分布式网络结构技术和总线技术收集了矿灯状况,并通过一人一柜一灯的信息管理方法提高了矿灯效率和充值安全性,将矿灯的智能充电技术和采矿者考勤管理融合到了一起,把以前落后低效的人工管理方法转化为更先进的智能管理方法,大大提高了矿井的管理效率。1 矿灯使用现状因为铅酸蓄电池的循环使用寿命较短、对周围环境腐蚀强烈、体积过大等因素而慢慢地不被煤炭领域所采用。目前应用最普遍的是镍氢电池矿灯。矿灯应用的光源类型主要有一般白炽灯泡和L E D发光二极管二个类别,一般白炽灯泡因为能量耗费较大、寿命短、安全可靠性较差等因素,目前作为矿灯的一般白炽灯泡已基本被废弃。而L E D灯光由于拥有省电节能、循环应用次数多、稳定性好等优点,因此在矿灯应用领域中受到了普遍采用。2 矿灯智能充电管理系统的总体方案2.1 充电箱2.1.1 矿灯柜矿灯柜能够对不同的矿灯提供补充;对矿灯状况的监控和显示;对人员信号的显示;矿灯没放在位置、柜门没关好、灭火器在位与否等;语言、声光提醒;整柜压力、电流变化的测量与显示;射频识别卡(即TM卡)的开锁,或者控制系统实时开锁等功用。目前已有的矿灯充电控制系统的管理计算机和矿灯柜间的联系大多釆用有线方法,但现场上布线方式复杂、故障排除很麻烦。针对这些缺陷,该控制系统的管理计算机和充电箱内部均使用了无线通信。通讯频率选用了4 3 3 MH z,信号较强,但传递距离较远(可靠距离达2 0 0 m),且传递过程信号衰减较小。2.1.2 监测服务器监测服务器采用无线,可同步真实监测七千个充电位的矿灯充满状况,包括矿灯、自救器的取放状况;向各个充值 位置下传矿 工信 号(文 本 或 图像);并遥控各个充位柜门的开启。控制系统将射频识别卡的卡号为矿工的工号,从而达到了辅助和考勤的功效。管理系统同时具备最大三班下井数量统计分析和当前井下数量统计分析的功能。监控主机一64 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 般承担了充值柜及使用单位的单位基本情况、工作人员个人、矿灯信息系统、矿灯系统操作员信息内容等个人基础信息的记录(或输入)、调整、检索、打印工作,包括对各矿灯的充值状况监测、充值历史信息和考勤信息系统的査询、打印工作等。2.2 充电柜设计每群矿灯柜共由一百个充值位构成,每一个充值位由灯位操控板和矿灯充值面板二部门构成。矿灯补充板将矿灯的补充状况上传到灯位控制系统板;灯位控制系统板经过串连式通讯线经矿灯柜无线模块集成器和监测计算机,实现数据通讯。2.2.1 灯位控制板的硬件设计灯位控制板主要负责收集、展示和传递矿灯的状态信号,并且拥有柜门关到位测试、灭火器取放测试、射频卡测试、电子磁锁监控电路、语音展示、声光告警、采矿者信息提示等功用,见图1。图1 灯位控制结构图 灯位操控板采用了C o R T e x TM-M 3为核心的微控制器(MC U)。微控制器MC U,支援2线的SWD调试;并具有2个串连的无线通信接口,1个与充电模块通讯,另一个与中位机无线模块通讯;选用5.零寸的F R D 5 0 0 A 4 0 0 1覆膜晶体管集电极显示器(T F T屏),以S S D 1 9 6 3作为液晶显示屏的驱动,并 使 用 了 王 海 集 通 数 码 科 技 公 司 的G T 3 2 L 3 2 S 0 1 4 0词库晶片,实现了矿工人员图像和文本信息的显示和储存;釆用D K C系列的D K C 0 4 0语音芯片播放提示语言。灯位控制板上装有射频卡鉴别集成电路,其射频卡使用TM卡。系统之间通过单线协议交流,并通过瞬间接触式实现数据读取,既具备非接触式I C卡的容易操作性,也具备接触式I C卡的低廉特性,是当前市场性价比最优越的I C卡一种。每个矿工都装有一张TM卡,用以开启自身的矿灯柜门。此外,灯位操控板中还包括了报警及显示的蜂鸣器电路,电磁锁控制驱动集成电路,以及矿灯拿取测试、灭火器取放测试、柜门关到位测试集成电路等。2.2.2 矿灯充电板的硬件设计补充板上可对镣氢、镒酸锂、磷酸铁锂、普通矿灯等四种矿灯予以补充,并可将补充状况补充中、装满、取走、故障及补充讯息补充电压、补充电流等上传至灯位调节板。矿灯充电板采用了L Q F P 3 2技术的S T C 1 2 C 5 6 0 8 A D作为嵌入式微控制器,并包括了开关电源、串连型通信端口、矿灯种类选择拨码控制开关、矿灯在位监测、恒压恒流输入输出、补充电压、补充电流采集电路等,见图2。图2 矿灯充电板原理框图 系统采用了X L 4 0 0 1压降型D C-D C转换器,X I 4 0 0 1为1个1 5 0 k H z稳定频谱的双脉宽调制(压降型)型D C-D C转换器,并具备2 A的低负荷驱动性能。MC U首先利用电压、电流采样电路,得到对不同类型矿灯的充满电压和充满电流,随后再利用2路PWM输出来进行X L 4 0 0 1的电压、电流传递,进而完成了对不同类型的矿灯进行恒压恒流充。充电板上可以采用以下二种方法设定矿灯充电位置:自动拨码开关设定和与监控主机通信设定。此外,在充电板釆上用反射式光电开关,对矿灯的正确放到位置加以检查。2.2.3 矿灯柜无线模块集中器设计矿灯柜无线模块聚集器为整套充值柜供应开关电源,并指示充值柜的实际工作电流、实际工作电流,并且接受监视计算机的指令,并利用串行通讯端口和灯位操控板,实现数据通讯。矿灯柜供电分三级,其中1 2 V D C先进的接通电流为一个充电箱供电,5 V D C给电压、电流为表头供电,3.2 V D C为标准无线通信模块电源,分别使用LM 7 8 0 5和74 2 0 2 2年第1 1期李雯婕 矿灯智能充电管理系统设计LM 3 1 7进行二级降压。集中器一边无线传输通讯模块采用杭州飞拓有限公司的UT C-9 0 3无线网络透传模组,而监控服务器的侧边无线模块则采用了与UT C负9 0 3系统配套的,具有U S B端口的P C-9 0 3透传模组。2.2.4 TM卡读卡器设计为了方便 矿灯房的工 作人员登 记、办理TM卡,系统还专业产品设计了TM卡读卡器。读卡器的 微 控 制 器 仍 采 用C o T e x-M 3内 部 的S TM 3 2 F 1 0 3 R 8 T 6,并且读卡器还配备了U S B-7 T L变流器,以方便于现场使用。通过TM卡读卡器可以将已读出的所有TM卡的四十八位顺序号上传至监控计算机。3 矿灯智能充电管理系统的软件矿灯智能充电系统的软件分为:灯位监控板的软件需求、矿灯充值板的软件需求,以及系统监测主机的软件需求三个部分。3.1 灯位控制板软件设计首先,系统上电初始化工作后,由充电板读出灯架编号、灯位编号和矿灯种类,而补充矿灯种类则可根据监测计算机加以调整;其次各充电位屏幕显示由监测计算机传输过来的已储存人员的信息内容(文本和图像);再次,系统即时读写TM卡,刷新充电时钟,每秒读出矿灯、自救器、柜门状况,并自动更新充满电压、充电电流值,同时自动更新员工数据信息(7);灯位控制板则以串口中断的方法实时自动无线接受并运行监控主机的指令,包含加载矿工个性相片、加载矿工全家福、加载矿工钥匙编号、加载管理者密钥编号、加载员工的个人信息(文字)、在规定充电位开门状态、下发通告、加载可充电矿灯种类、读出矿灯状况等。3.2 矿灯充电板的软件设计首先,系统上电初始化后从充电板读取灯架号、灯位号和矿灯类型充电矿灯类型可通过监控主机进行更改。灯位控制板以串口中断的方式实时无线接收并执行监控主机的命令,包括下载矿工个人照片、下载矿工全家福、下载矿工钥匙号、下载管理员钥匙号、下载人员信息(文字)指定充电位开门、下发通知、下载充电矿灯类型、读取矿灯状态等。其次,矿灯充电板对MC U的内置外设完成安装后,由拨码控制器确定可充电矿灯种类,进而读出灯架号码、灯位号码;当以串口方式接受到灯位控制板的指令时,执行相关的动作,包含读出已充满矿灯种类、读出矿灯的充满状况、读出灯架号或灯位编号、下载矿灯种类、读出充满压力和充满电流等。矿灯补充板上全部的补充流程都在P C A中断时进行。P C A中断为P C A 2和P C A 3,通过P C A 2生成1 k H z的脉冲信号进行时序并对矿灯在位检查,以增强测试的可信度;而P C A 3则设置为定时模块,针对各种类型的矿灯种类设定并开启相关的充电过程,同时定时采集充满电压及充电电流,可实现充满检测、取走判断以及矿灯事故判断等功能。3.3 监控主机软件的设计系统监控主机管理软件主要由数据收集监控软件和系统管理应用软件二部分构成。数据釆集监测软件使用C/S结构,采用V i s u a lS t u d i o2 0 1 2集成环境设计,一般是负责与矿灯的充电柜1 2 5.通信,发出命令、收到/下发消息后,将公司图片信息内容、员工资料、矿灯种类信息内容、I C卡密钥信息内容等资料,下发至充值柜;收集、管理矿灯充电状况资讯等。系统管理软件使用由S i l v e r l i g h t实现的B/S结构,以方便系统信息的远程管理、检索和监测。界面主要由基本管理、授权管理、考勤管理、班次管理、信息统计、例外管理等六个功能模块所组成。4 结束语综上,矿灯智能充值管理系统由重要的设计灯位管理板、矿灯充值板和监测服务器等构成,可以进行对采矿者图像和文本信息的展示、对矿灯充值状况的监测、可充电矿灯类型的设定、矿灯充值电压、充电电流等的检测。管理系统可以利用无线通讯的方法,进行工作人员、矿灯信号的加载和矿灯状况的收集,从而大大减少了旧式管理系统的布线,且现场配置和维修都极为简单。目前,该管理系统已经广泛在煤矿进行使用,并受到了用户的广泛赞誉。参考文献1 胡金迪,刘思,沈广,叶承晋,丁一,鲍卫东.基于端对端通信的充电桩无功响应分布式模型预测控制策略J.电力系统自动化,2 0 2 2,4 6(4):2 5-3 5.2 陈湛清,金敏燕,王志威,姚朗泉,梁佩瑜.新能源汽车充电基础设施建设现状与发展问题84 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 研究 以湛江市为例J.汽车实用技术,2 0 2 1,4 6(2 0):2 3 4-2 3 6.3 王冠,刘苏贤,赵浩然,李波.考虑电动汽车充电桩无功响应的优化调度策略J.湖南大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 8(1 0):1 5 2-1 6 0.4 洪志康.充电站能量管理算法设计及F P GA实现D.北京交通大学,2 0 2 1.5 白贤顺,刘勇.智能矿灯充电管理系统的分析与应 用 J.电 子 测 试,2 0 2 1,(1 7):1 2 4-1 2 5+7 3.6 刘亮,蒲浩洋.大规模无线传感器网络中高效按需充电规划J.计算机应用研究,2 0 2 2,3 9(1):2 3 1-2 3 5.7 沈承舒,古训,陈红.基于P I D算法的超级电容组无线恒功率充电控制分析J.电子器件,2 0 2 1,4 4(4):8 3 7-8 4 3.8 张伟荣.浅谈直流快充的充电控制策略及充电原理J.内燃机与配件,2 0 2 1,(1 3):3 8-3 9.9 Y e R u i,H u a n g X u e l i a n g,C h e n Z h o n g,J iZ h e n y a.A h y b r i d c h a r g i n g m a n a g e m e n ts t r a t e g yf o r s o l v i n gt h eu n d e r-v o l t a g ep r o b-l e mc a u s e db yl a r g e-s c a l eE Vf a s tc h a r g i n gJ.S u s t a i n a b l eE n e r g y,G r i d sa n d N e t-w o r k s,2 0 2 1,1 5(3 0):1 8 6-1 9 5.1 0 康海霞.电动汽车无线充电线圈对未成年人电磁暴露安全评估D.兰州交通大学,2 0 2 1.1 1 蔡诗晗.改进锂电池充电模型的直流充电桩设计D.湖北民族大学,2 0 2 1.1 2 N o o d o e C o r p o r a t i o n;P a t e n t A p p l i c a t i o nT i t l e d S y s t e m s A n dM e t h o d s F o rC h a r g i n g M a n a g e m e n t O fC h a r g i n g D 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