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動態(tài)軌道衡系統的結構和實現方法，并設計了一套適應于礦山生產環(huán)境下的動態(tài)軌道衡監(jiān)控系統，包括將傳統的模擬信號傳輸改為更為穩(wěn)定的數字信號傳輸，基于RS485的現場總線工作模式以及采用輪計重的計量方式，這些技術的改進使系統更加適合于礦山生產環(huán)境。

軌道衡是安裝在軌道上用來對通過列車的裝載貨物進行計量的設備，分為靜態(tài)軌道衡與動態(tài)軌道衡兩類，動態(tài)軌道衡是指對行進中的軌道貨車進行稱量，并對稱量數據進行動態(tài)處理的衡器。我國軌道衡計量技術出現于1954年，當時的軌道衡主要為機械靜態(tài)軌道衡；到上世紀70年代末期我國開始出現動態(tài)電子軌道衡，但受當時國產傳感器和電子元器件質量的制約，計量性能和穩(wěn)定性并不理想；目前我國的軌道衡產品市場已經十分繁榮，軌道衡技術發(fā)展迅速，在許多領域都有應用。但是能夠適合貴州這種特有的地理環(huán)境的礦山企業(yè)生產的產品卻并不多。

目前市場上的自動軌道衡產品大多是針對于鐵路計量的應用需求，其計量對象質量大、基礎施工條件好、列車運行狀態(tài)平穩(wěn)、車輛保養(yǎng)狀態(tài)良好。與鐵路軌道衡的對比，因煤礦環(huán)境惡劣，將自動軌道衡技術應用于礦車測量的技術難度很大。這是礦山存在軌道不平直、車輛養(yǎng)護狀況差、車軸、車輪變形嚴重、現場電磁環(huán)境復雜、礦車無緩沖裝置、沖擊大、基礎施工條件差等一系列異常因素造成的。因此到目前為止國內還沒有適于礦山輕軌衡計量的成熟產品，而煤炭等礦山的精細化管理已成為當前亟待解決的重大問題。

本文將結合信息技術與傳感器技術，對現有軌道衡系統存在的問題進行技術改進，設計一套適合于礦山生產環(huán)境的動態(tài)軌道衡產量監(jiān)控系統。

1系統概述

本系統根據工業(yè)應用的需求，通過在煤礦出煤井口安裝高精度稱重傳感器，配置前端數據采集系統，負責采集計量數據以及現場監(jiān)控圖像數據。并通過數字網絡鏈路,將現場測量數據、監(jiān)控圖像數據集成后，實時傳送到監(jiān)控中心服務器上。監(jiān)控中心服務器接收、存儲并自分類、匯總各個煤礦的產量數據，煤礦各管理部門根據監(jiān)控中心分配的權限，查詢和打印煤礦產量的實時監(jiān)控數據。整個系統由四大子系統集成，分別是：稱重子系統，視頻監(jiān)控子系統，傳輸子系統和數據利用與顯示子系統。

1)稱重子系統：煤礦在軌道適宜計量處布置稱重傳感器，稱重傳感器將重量外力變換為電信號，經ADC轉換為數字信號，通過前端數據采集系統將產量數據存儲于本地并傳送到監(jiān)控中心，實現24小時連續(xù)自動稱重計量。

2)視頻監(jiān)控子系統：將監(jiān)控點高清日夜兩用攝像機獲得的圖像，通過前端數據采集系統傳送到監(jiān)控中心，能夠對煤礦出煤情況進行24小時不間斷的監(jiān)控。

3)傳輸子系統：負責接收現場傳感器信號、分析和處理稱重數據、將圖像信息和稱重數據通過光纖網絡上傳到遠程電子監(jiān)控中心。

4)數據利用與顯示子系統：將前端的計量數據解析、入庫、統計匯總，實現產量數據、設備工況信息實時顯示、故障自動報警等功能。

2技術要點

2.1信號傳輸方式

本系統利用前端的“數據采集器”接收傳感器輸出的毫伏級電壓信號，在采集現場經過高速ADC轉換器將毫伏級電壓轉換后轉變?yōu)閿底中盘枺ㄟ^485通信協議將數字信號傳輸給計量控制器。這種方式很好的克服了傳統軌道衡系統因采用模擬信號傳輸而造成的信號傳輸距離短、抗干擾性差等問題，其具體優(yōu)點為：1)傳輸距離遠RS-485接口的最大傳輸距離標準值為1219米，實際上可達3000米，遠遠超出傳統方式150米的傳輸限制。采用新方案后，監(jiān)控設備一般情況下可直接安裝在煤礦現有的監(jiān)控室內，無需煤礦新建或改建其原有的監(jiān)控室。電信部門也無需進行工作點光纖的延伸工作。

2)信號傳輸抗干擾性強

RS485通信屬于數字通信范疇，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強、稱量準確度高等特點。數字信號只有“0”、“1”兩個電平，數字化后的信號是用若干位二進制的兩個電平表示，因而在連續(xù)處理過程或在傳輸過程中引入雜波后，其雜波幅度只要不超過某一額定電平，通過數字信號再生，就可以把它清除掉，即使某一雜波電平超過額定值，造成誤碼，也可以利

用糾錯編、解碼技術把它們糾正過來。所以，在數字信號傳輸過程中，不會降低信噪比，確保數據在傳輸過程中的準確。

2.2信號控制方式

傳統的軌道衡系統采用的是“點對點”的設備連接模式（單臺工作模式）。即1臺計量控制器只能對應1臺信號變送器。每條軌道均需安裝獨立的計量控制器、信號變送器以及前端的傳感器。點對點的連接模式以及傳輸距離的限制會使得整個項目的工程投資費用增大。在多軌模式下必須為每條軌道安裝單獨的監(jiān)控設備。監(jiān)控設備安裝數量因軌道數量的增加而增加，從而加大了用戶的使用成本。這樣做還增大了施工以及維護的難度，施工時每條軌道上的計量控制器都要單獨安裝、調試和設置，同時也會增加其后期出現故障設備的概率，增大后期維護的工作量。

本系統技術方案采用基于RS485的現場總線工作模式:1臺計量控制器可配接多臺數據采集器，從傳統的“單點”連接方式變?yōu)?ldquo;多點”連接模式，使系統具有多站能力。本系統采用RS485的組網方式。RS485總線接口作為多點、差分數據傳輸的電氣規(guī)范，現已成為業(yè)界應用較為廣泛的標準通信接口之一。

1)具有多站能力，部署靈活。

RS-485接口在總線上是允許連接多個收發(fā)器的，即具有多站能力。這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡，其部署的靈活性更強，在面對單軌、多軌復雜的出煤情況時，也能夠依據實際情況靈活組網。這就降低了工程施工難度，同時也降低了煤礦的使用成本。

2)設備擴展性好

因采用“多點”的設備連接方式，針對技改礦井新增的軌道可以直接作為原有監(jiān)控系統下的新采集節(jié)點，納入到原有計量系統中來。其后期部署實施簡單，投資小，不影響原系統的使用。

2.3計重方式

傳統軌道衡系統多采用軸計重的方式，即每次過車時對前后軸分別采集4000至5000個數據，用于后期的重量計算。這種方式對環(huán)境的要求較高，基礎使用條件好、列車運行狀態(tài)穩(wěn)定、軌道平直的鐵路軌道衡多采用這種計量方式。但礦山存在礦車沖擊大、軌道不平、軸變形、輪變形、運行狀態(tài)不穩(wěn)定等各種不利因素，因此在礦山環(huán)境采用軸計重的計量方式易導致判車不準、計量精度低等問題。

本系統技術方案采用輪計重方式，這種方式可以提高計量精度。在礦車通過傳感器時分別對各個輪子的運行狀態(tài)采集足夠的樣本數據，單獨計算每個輪上的載荷最終得到整車重量。該方式具有采集的樣本數據多的優(yōu)點,同時能夠有效處理礦車偏載、輪變形、軸變形、運行狀態(tài)不穩(wěn)定等各種不利因素，因此可以比傳統的軸計量方式獲得更高的精度。

3系統前端主要監(jiān)控設備功能描述

3.1稱重傳感器

稱重傳感器將重量外力變換為電信號，實現24小時連續(xù)自動稱重。當礦車經過稱重傳感器時,礦車皮重+礦車內物質重量作用在傳感器彈性體（彈性元件，敏感梁）上,使傳感器彈性體產生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓0~20mV），從而完成了將重量外力變換為電信號的過程。

3.2數字化信號采集器

將mV信號轉變數字485信號，滿足數據穩(wěn)定遠距離傳輸。數字化信號采集器是一種將傳感器輸出的0~30毫伏信號經A/D放大轉換成數字化得RS485信號，該信號采集器實現了電源、信號全隔離，具有傳輸距離遠，抗干擾能力強等優(yōu)點。工作電壓范圍寬，并具有良好的防雷性能。

3.3防“搭橋”作弊裝置

煤礦產量監(jiān)控系統現場采用了振動傳感器或紅外線的高科技防搭橋作弊裝置。其原理是利用礦車運行過程中對地面產生振動原理，在礦車運輸導軌下埋設振動傳感器，監(jiān)測車輛通過。該裝置具有以下優(yōu)點：

1)監(jiān)控方式隱蔽，不易被礦主察覺。

2)完全埋設在地表下，不受環(huán)境影響，性能穩(wěn)定。

3)對工作人員、輕車、重車自動識別，能有效監(jiān)控礦主“搭橋作弊”情況。對礦主虛報出礦線路也能進行有效監(jiān)控，解決多岔道出煤問題。

3.4計量控制器(控制箱)

控制箱負責接收現場傳感器信號、分析和處理稱重數據、將圖像信息和稱重數據通過光纖網絡上傳到遠程電子監(jiān)控中心。具有以下功能：

1)自動稱重

采用單軸稱重方式，礦車運行時前、后軸分別通過傳感器單獨稱重，當礦車后軸完全經過傳感器后系統把前、后軸重量相加，匯總單車重量數據。

2)礦車運行方向自動識別

礦車運行經過稱重裝置時，礦車前軸先作用于方向傳感器，后作用于稱重傳感器，礦車后前軸也先作用于方向傳感器，后作用于稱重傳感器，判定為礦車進礦方向。反之礦車前軸先作用于稱重傳感器，后作用于方向傳感器，礦車后前軸也先作用于稱重傳感器，后作用于方向傳感器，判定為礦車出進礦方向。3)速度動態(tài)誤差自動補償礦車動態(tài)通過稱重傳感器，不同速度下對傳感器產生作用力不一樣，系統自動測量礦車運行速度，自動補償由于速度產生的誤差影響。

4)煤與非煤（矸石）物質自動區(qū)分

系統自動將真實稱重重量扣除礦車皮重得到稱重物質的重量，該重量除以礦斗容積得到該稱重物質的密度（比重）系數，根據預先界定范圍（密度系數，通常由政府管理部門確認）確認該物質是煤或其他非煤（矸石）物質。

5)網絡自檢功能每次數據發(fā)送前與中心端建立Socket連接，等中心端準備好后發(fā)送數據，數據發(fā)送完畢后釋放Socket資源，數據休眠期間，定時發(fā)送心跳包檢測、維持中心線路通道。當檢測到網絡堵塞、斷線、Socket連接未成功時，本地保存未發(fā)送數據、圖片，待系統檢測到網絡通暢時，自動補發(fā)未發(fā)送數據、圖片。6)24小時設備自檢，故障弱化處理主控芯片采用ARM系列32位芯片設計，運行速度快，詢址范圍寬，對系統運行設備，傳感器狀態(tài)，控制器外網電源，主控板電源，儲存器狀態(tài)，控制器溫度等，24小時3秒間斷自檢，當設備出現故障時向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息。同時對運行設備弱化處理，如傳感器出現零點漂移時，意味傳感器已出現故障，系統自動進行零點跟蹤、自動校準稱重裝置，在等待故障處理過程仍能進行正常工作。檢測到控制器出現高溫狀態(tài)，系統會自動調整芯片運行模式，降低功率運行或關閉輔助端口。

3.5雷擊保護裝置

系統獨創(chuàng)防雷保護技術，解決系統被雷擊的后顧之憂。該系統在礦山使用，容易受到感應雷擊。主要防范380/220V低壓系統，所采用的輸電線路為10kV架空線路引入配變，再從配變低壓側經低壓線路進入設備220VAC電網感應雷擊的防范。架空電纜視頻信號、傳輸信號電纜感應雷擊的防范。室外運輸導軌被空中帶電云強電場的感生電動勢沖擊監(jiān)控電子設

備感應雷擊的防范。

4結束語

軌道衡技術對于我國的經濟發(fā)展具有十分重要的意義，目前我國鐵路運輸80%的貨運量都要經過軌道衡來進行計量，但是在礦山資源的生產，尤其是煤礦企業(yè)的生產中，信息監(jiān)控的力度還遠遠不夠，因此本系統的開發(fā)對于煤礦產業(yè)的健康發(fā)展有著十分重要的意義。該系統目前已應用于貴州省六盤水市的部分煤礦，經過在煤炭生產現場進行實地檢測，系統能夠適應礦山惡劣的生產環(huán)境，軌道衡的誤差能夠控制在3.0%以下，系統完全滿足設計要求。目前整個系統運行良好，并產生了可觀的經濟效益。

 

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