矿用风门位置传感器的系统设计

矿用风门位置传感器的系统设计

摘  要：矿井通风系统中的一个重要组成部分。它属于通风构筑物（通风构筑物包括风门、密封闭墙、主风井巷口的密闭装置及其它的通风构筑物）。由于风门有以上的作用和意义，实现矿用风门的自动化也就显得势在必行。 

关键词：风门传感器，DSPIC33F，风门设计

1                        前言

1.1      通风系统概述

而根据矿井安全规程，可知矿井通风是必要的。地面的大气进入矿井以后，在成分上会发生一系列的变化。这是因为煤和其它物质的氧化、人的呼吸会使氧气减少和二洋化碳增加；井下煤和岩层中不断放出沼气（CH4）、二氧化碳等有害气体在生产过程中也要生成岩尘，煤尘和炮烟等。其中瓦斯（沼气）和煤尘达到一定浓度遇火时就会引起爆炸。此外，井下空气由于地热作用、人体和机械的散热，水分的蒸发等原因，温度和湿度都会显著增加，造成不良的气候条件。因此，对矿井必须进行通风。

2       矿井通风的任务：

供给井下人员足够的新鲜空气。

把有害的气体和矿尘稀释到安全浓度以下，并排出矿外。

保证井下有适宜的气候条件，以利于工人劳动和机器运转。

矿井通风工作，对于保证矿井安全生产，创造良好的气候条件，提高劳动生产率，具有十分重要的意义。

此外，危及矿井安全的重要一项就是瓦斯爆炸。因此，必须采取必要的措施来防止矿井中的 瓦斯爆炸。而瓦斯爆炸必须具备两个条件。瓦斯浓度为5~~6%的混和气体和温度为摄氏650~~750°的火源来引爆。为此，预防瓦斯爆炸必须从两个方面考虑。其中防止瓦斯积聚的措施之一有加强通风。用足够的风量把瓦斯稀释到无害的程度。例如：

采用机械通风（在瓦斯矿井应采用抽出式通风）。

正确合理地计算与分配风量，使各采掘工作面，各巷道，各峒室都供给足够的风量，既不使瓦斯超限又能创造良好的气候条件。

加强风扇管理和风筒的维护，防止漏风，避免循环风流。保证掘进工作面有足够的新鲜风流，严禁用扩散通风。

正确的选择通风构筑物的位置，加强其维护与管理，防止矿内大量漏风在瓦斯矿井中，回采工作面，回风巷道都要采用上行通风。

为此，矿井中必须建立比较完善的通风系统。其中矿井用风门就是矿井通风系统中的一个重要组成部分。它属于通风构筑物（通风构筑物包括风门、密封闭墙、主风井巷口的密闭装置及其它的通风构筑物）。由于风门有以上的作用和意义，实现矿用风门的自动化也就显得势在必行。

1.2      国内外矿井风门的发展现状

(一)           国内矿井风门的发展现状

风门是最主要的通风装置之一，风门安设在挡风墙上，为了能保持该巷道的通行与运输。为了防止风流短路使矿井一部分的即定通风系统遭到破坏，风门的数目不应少于两个；各风门间的距离应大于列车的最大长度。如果巷道放设有铁轨，则必须设法防止经过门坎漏风。连接入风井与排风井的巷道，应设置两个混凝土挡风墙或砖挡风墙，每道挡风墙上应设两风门。

风门有木制的和铁制的。铁风门在重要的地方采用，例如，在入风井排风井间的联络巷道里，该处空气压力很大，且有发生短路的危险。门板一般是用厚不小于3mm的钢板覆盖作门面。为了坚固门板上还要装置角铁。门框处了严密，在门框边缘钉有毛毡或密封条。

目前我国矿井使用的木制风门的地点比较多。这种风门的优点是：

1)      结构坚固、不易损坏、使用年限为1.5——2年。

2)      漏风少。

3)      规格统一，可以在地面上做成成品在井下安装，并可反复使用。

4)      经济，其制造与维修费的总和较一般形式的风门低。

5)      井中，目前也常使用木材和铁板混合制成的风门。这种风门的使用年限更长，其构造更加严密。

6)      由于矿井通风管理，向自动化方向发展，要求风门能自动关闭。尤其是在井下运输频繁的地方，风门的自动化更显得重要。

下面介绍几种典型的自动风门：

矿车撞杆式自动风门。 种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。此风门多用于轨道上山和轨道下山中。

气阀式自动风门。 这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。

电动自动风门。  这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。矿车过后风门自动关闭。

(二)           国外矿井风门的发展现状

国外的风门系统较我国起步早，发展成熟。早在八十年代，国外就开始尝试了矿井风门的自动化研制。到九十年代，新型风门理论已相当完备，其相应的风门产品已广泛的投入到了市场中。

下面介绍几种典型的自动风门：

矿车撞杆式自动风门。 种自动风门一面是靠拉杆连动装置打开风门的，另一面，则靠矿车撞击缓冲器而打开风门。此风门多用于轨道上山和轨道下山中。

气阀式自动风门。 这种风门是靠压缩空气（或压力水）推动汽缸活塞，活塞带动连杆；活塞的往复运动使风门开关，压缩空气（或压力水）是靠矿车触动开关控制的。

电动自动风门。  这种自动风门的关闭是靠电动机传动件速装置来完成的。电动机的启动和停止由设在轨道下面或巷道两侧的接触点来控制。某些矿井利用光电继电器自动控制电动机开闭风门。当矿车（或电机车）到达时，由于光电的作用，打开风门使矿车通过。矿车过后风门自动关闭。

新兴的“PLC风门” 。 进入80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展。与此同时，矿用风门系统也成此东风，展开了长足的发展。直至目前而言，由于其出色的性假比及稳定的工作性能，“PLC风门”仍引领着国外矿用风门的潮流。

 

 

1.3      安全设施在矿区生产中的重要意义

1.3.1  安全设施的设计基本原则

1.开放性原则：设计的现场总线结构是开放性系统，实现与未来设备的更多互连和互操作，且能方便地融于煤炭管理局信息网络中。
   2.先进性：煤矿监控系统应尽量采用先进技术产品设备，只有采用先进技术设备，才能保证系统先进性。
   3.可靠性：系统的可靠性是第一位的，在方案设计中充分考虑系统的安全，依照安全国家标准采取安全管理措施，保证监控系统安全可靠运行。

4.经济性：系统的经济性是一个重要因素，使系统具有良好的性能价格比是共缆监控系统设计的一个重要原则。

5可扩展性：在系统需要扩展时，前端设备数量将灵活增加，不改变系统的运行方式，以保证用户的投资安全。

6.实用性：采用高科技手段，进行智能化设计，尽量减少系统操作的复杂性，并做到系统工作稳定可靠，维护简单；软件使用界面好用，完全达到智能化控制。

本设计选用的重庆煤炭科学研究院的KJ90NA型煤矿安全生产监控系统都能达到以上标准。

1.3.2  安全生产监控系统结构

重庆煤炭科学研究院的KJ90NA型煤矿安全生产监控系统由地面中心站、调制解调器、井下分站、井下电源、各种矿用传感器和矿用机电控制设备及KJ90NA型煤矿安全生产监测软件组成。具体结构如下图：

1.3.3  安全生产监控系统原理

以煤矿安全生产监控系统为例，首先建立地面中心站，中央控制主机由工控计算机组成，系统是按“主机－－－分站－－－传感器”体系结构设计的，地面中心站是整个系统的控制中心，安装在矿调度室中心机房。井上下部分包括：KDF型分站、各种安全生产监测传感器和断电仪等，传感器对矿井各种安全、生产参数进行实时监测和处理，并将安全生产参数及时传输到地面中心站。各种数据由分站各中心站处理，并能按要求直接发出声，光报警和断电控制信号。地面中心站经过调制解调器（MODEM）采用专用通讯电缆与井上下分站联结通讯。地面主机处理数据并将处理后的数据通过地面网络发送到各级领导办公室及各部门使用的多功能终端、多媒体工作站。

地面监测设施：地面监测中心设在矿调度室，其内分设有监控中心室、监测调试维修间、监控调度值班室。监控中心室配备有工控机2台一用一备，联想电脑一台，主要用做图形工作站。井下分站与地面中心站的数模转换主要通过调制解调器（MODEM）装置进行。各种设施进行了接地防雷，使用环境良好。监测调试维修间主要进行一些分站、传感器的标校调试使用。监控中心通过网络与矿长、总工、安全矿长、机电矿长、生产矿长办公室相连以便及时了解掌握、管理指挥安全与生产。

 

1.4      风门位置传感器

1）安设要求

矿井和采区主要进回风巷道中的主要风门必须设置风门传感器。当两道风门同时打开时，发出声光报警信号。

2）设置地点

井下所有双向风门和安全出口双向风门均设置风门开闭传感器。当两道风门同时打开时，发出声光报警信号。

1.5      风门位置传感器典型产品介绍

GML(A)型风门开闭传感器(原KG92-1型)

GML(A)型风门开闭传感器(原KG92-1型) 适用于连续检测煤矿井下通风系统风门的开闭状态，输出多种信号制具有现场风门“开”、“闭”状态的指示。可与各类监控系统配套使用。

主要技术指标：

1)      测量原理：磁场感应

2)      输出信号制：二线制1～5mA DC、四线制-5～5mA DC

3)      触 点 式：常开或常闭

4)      传输距离：2km

5)      工作电压电流：9～24V DC

6)      防爆型式：ExibⅠ矿用本安型

2                       系统开发软硬件概述

2.1   矿用自动风门系统的组成及工作原理

2.1.1  系统组成

    如图1-1所示，该系统主要由两道门，来车识别装置，状态检测装置，电控，DSPIC33F控制箱等部分组成

 

图1-1 自动控制风门系统组成图

 

 

图1-2   自动控制风门结构图

而每道门又如图1-2所示，由两扇门体、道轨组合、滑轮组合、驱动装置、牵引钢丝绳、张紧装置等组成。

 

2.1.2  工作原理

风门系统为两道门，每道门采用水平对拉式开闭，风门的开闭由驱动装置通过钢丝绳牵引两扇门体实现。门扇通过滚轮吊装在上轨道中，上轨道固定在巷道顶板上。门扇的下端处在下轨道槽内。门体的开闭状态采用行程开关检测，两道风门相互闭锁。风门可实现自动控制，手动按钮开闭及人工通过手摇机构开闭。每道门在其中的一扇门体上装有人行便门，以便单人行走通过。风门开闭驱动是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮来实现。驱动钢丝绳牵引门扇运动。通过电动机正反转实现风门的开闭。如图1-3所示：

 

    

1–  驱动电机 2–减速器 3–摩擦轮4–导向轮

5–门体一 6-门体二 7–张紧重锤

图1-3 风门驱动装置原理图

控制系统由DSPIC33F控制器，各种传感器，检测装置等组成。风门的开启操作申请信号来自光敏传感装置，每道门设有两套光敏传感装置。一套供头灯照射申请开门，传感装置安装在巷道侧壁上；另一套供车灯脉冲照射申请开门，传感装置安装在门体上。采用脉冲照射是为了避免其它非开门光源造成系统误动作，并且通过DSPIC33F控制器编程实现。风门的关闭靠DSPIC33F定时控制，即风门开启后延时一段时间自动关闭。两道风门相互闭锁，也就是说同一时刻只允许一道风门处于打开状态，而另一道风门无论是否有开门申请信号都处于关闭状态。风门的开闭状态采用接近开关检测，信号传输给DSPIC33F控制器。

在一些特殊情况下，如自动控制系统出现故障；风门安装调试过程中；检修维护时等，也可以通过手动按钮操作风门的开闭，或用人工开闭风门。

每道风门的两侧还设有光电开关，其作用是在风门关闭过程中有人、车辆或其它物体时，由于产生了有障碍物信号，通过DSPIC33F控制使风门再次打开。这样可防止风门夹住处于中间的行人、车辆或其它物体。

具体的风门系统的工作过程如下：

1、 当上行或下行车辆通过车灯脉冲照射申请开门时，系统均产生申请信号 ，A、B门申请开门信号以先得到者有效，后得到者保持。

2、A门（或B门）申请开门信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时15–30秒，此期间若还有申请信号，再延时15秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。A（或B）门关闭后，延时2秒，B门（或A门）执行开门操作，同时有灯光显示，开门后延时30秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。

3、当下行车辆通过B门（或上行车辆通过A门）期间，若有上行车辆申请B门开门信号（或下行车辆申请A门开门信号）则B门（或A门）继续延时30秒，上行（或下行）车辆可进入B门（或A门），然后再执行后续程序。

 

 

 

2.2   本次毕业设计的主要内容

本次毕业设计的对象就是矿用自动风门系统。主要的设计内容包括：

1.    自动控制风门系统总体方案的设计

2.    PIC33F程序框图设计

3.    风门结构及机械传动系统设计

⑴门体系统（包括门体、上下轨道、导向轮及张紧装置等）

⑵传动系统（电机选型、减速器选型、摩擦传动及手摇机构）

4.    电器控制箱设计

5.    自动风门系统电气设计

设计的重点是第三部分的内容。以下是设计对象的有关描述：

主要技术参数及技术要求

1.    风门有效断面5600mm X 3200mm；

2.    风门承受压差1200mm水柱；

3.    风门采用钢丝绳牵引，摩擦驱动水平对拉式开关门方式；

4.    来车检测信号采用灯光脉冲照射检测装置；

5.    风门要实现自动控制、手动控制且要相互自锁；

6.    A B两道门实现相互闭锁；

7.    电器要满足防爆、隔爆等安全要求。

 

2.3      Keil编译及调试软件简介

目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的Keil C51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：μVision IDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。

应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存——建立工程并添加源文件——设置工程——编译/汇编、连接，产生目标文件——程序调试。Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单File—New…，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择File—Open…，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单Project—New Project…，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group ‘Source Group1’”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。加入文件后点close返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择Project—Option for Target ’Target1’（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。   

成功编译/汇编、连接后，选择菜单Debug—Start/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11或选择Debug—Step）、过程单步执行（按F10或选择Debug—Step Over）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（Debug—Inline Assambly…），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（Debug—Insert/Remove Breakpoint或Debug—Breakpoints…等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。

2.4      dspIC33F简介

1.   工作范围：

•  DC – 40 MIPS （3.0-3.6V、 -40°C 至 +85°C 时为

40 MIPS）

•  工业级温度范围 （-40°C 至 +85°C）

2.   高性能 DSC CPU：

•  改进型哈佛架构

•  C 编译器优化的指令集

•  16 位宽数据总线

•  24 位宽指令

•  可寻址最大 4M 指令字的线性程序存储空间

•  可寻址最大 64 KB 的线性数据存储空间

•  83 条基本指令：多为单字 / 单周期指令

•  16 个 16 位通用寄存器

•  两个 40 位累加器：

-  带舍入和饱和选择

•  灵活和强大的寻址模式：

-  间接寻址、模寻址和位反转寻址

•  软件堆栈

•  16 x 16 位小数 / 整数乘法运算

•  32/16 位和 16/16 位除法运算

•  单周期乘－累加运算：

-  DSP 运算的累加器回写操作

-  双数据取操作

•  可将最多 40 位数据左移或右移最多 16 位

 

3.   直接存储器访问 （DMA）：

•  8 通道硬件 DMA

•  2 KB 双端口 DMA 缓冲区 （DMA RAM），用于存 储通过 DMA 传输的数据：

-  允许在 CPU 执行代码期间在 RAM 和外设间 传输数据 （不额外占用周期）

•  大多数外设支持 DMA

 

4.   中断控制器：

•  中断响应延时为 5 个周期

•  118 个中断向量

•  最多 63 个中断源

•  最多 5 个外部中断

•  7 个可编程优先级

•  5 个处理器异常

5.   通信模块：

•  3 线 SPI （最多 2 个模块）：

-  帧支持简单编解码器的 I/O 接口

-  支持 8 位和 16 位数据

-  支持所有串行时钟格式和采样模式

•  I2C™ （最多 2 个模块）：

-  完全支持多主机从模式

-  7 位和 10 位寻址

-  总线冲突检测和仲裁

-  集成信号调理

-  从地址掩码

•  UART （最多 2 个模块）：

-  检测到地址位时产生中断

-  出现 UART 错误时产生中断

-  检测到启动位时将器件从休眠模式唤醒

-  4 字符深度的发送和接收 FIFO 缓冲区

-  LIN 总线支持

-  硬件 IrDA® 编解码

-  高速波特率模式

-  使用 CTS 和 RTS 的硬件流控制

•  数据转换器接口 （Data Converter Interface，

DCI）模块：

-  编解码器接口

-  支持 I2S 和 AC’97 协议

-  最多 16 位数据字，每帧最多 16 字

-  4 字深度的发送和接收缓冲区

•  增强型 CAN （ECAN™ 模块） 2.0B active 版本

（最多 2 个模块）：

-  最多 8 个发送缓冲区和 32 个接收缓冲区

-  16 个接收过滤器和 3 个屏蔽寄存器

-  用于诊断和总线监视的环回模式、监听模式和 监听所有报文模式

-  收到 CAN 报文时唤醒器件

-  自动处理远程发送请求

-  使用 DMA 的 FIFO 模式

-  DeviceNet™ 寻址支持

 

 

 

3                       矿用自动风门的门体及传动系统设计

3.1      门体设计

风门门体及上下导轨的组成如图2–1所示。

两扇风门通过滚轮组件吊装在上导轨组合中，上导轨对门体起导向和承重作用，门体通过槽轮与下导轨结合，下导轨通过槽轮承受风压作用在门体上的侧向力。

 

2-1风门门体及导轨简图

 

 

 

 

 

风门门体要求整体刚度好，不易变形，适合井下环境和条件。风门门体采用轻型槽钢焊接成骨架。其结构为：先将槽钢互相焊接如图2-2所示的门架，用3mm厚的钢板覆盖作门面，骨架及门面板在制造时做防锈处理。在其中的一扇门上设有行人便门，因此其中一扇门在焊接过程中应当注意留有小门。在门体上、下及侧面应安装有密封压板与密封条，门扇周边采用橡胶带密封，以防发生漏风现象。

图2-2

 

 

 

 

 

在左门门体上装有光电开关固定板，用来固定光电开关。其左门结构形式如图2-3所示。在右门门体上留有一小门，便于人行。其右门结构形式如图2-4。

  1-门体 2－上密封条  3－侧密封条  4－光电开关  5－下密封条

图2-3  左门体结构示意图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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1－小门   2－门体  3－门架

图2-4  右门体结构示意图

3.2      上下导轨设计

风门的上下轨道由工字钢与连接板及端板焊接而成。工字钢的材料使用Q235-A，其硬度、强度、钢度均能满足使用要求。

上轨道采用20号槽钢，并通过工字钢固定在巷道顶板上。下道轨采用18公斤道轨。门扇的下端处在下轨道槽内，通过滑轮与轨道槽钢接触限位，防止门体与轨道接触而增加阻力，且滑轮又能起到导向的作用。风门的这种结构形式可以使门体在受风压时，通过侧轮在上、下轨道侧壁滚动接触，因而减少了运行阻力，使风门开闭自如，不易卡死。

 

图2－5工字钢的简图

 

 

 

3.3      传动系统的设计

3.3.1  驱动系统的设计计算

 风门开闭驱动装置是由防爆电动机、蜗轮蜗杆减速器、摩擦轮组成，驱动钢丝绳牵引门扇作往复运动。

1.    驱动方式

采用摩擦驱动方式控制风门的动作。其主要的技术参数：

功率：4KW

拉力：8KN

速度：210mm/s

2.    电动机的选型

电动机选择时应综合考虑的问题。

⑴根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的起动、制动、反转、调速等要求来选择。

⑵根据负载转矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求，考虑根据负载转矩、速度变化范围和起动的温升限制、过载能力和起动转矩选择电动机的容量。

⑶根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。

⑷根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定的电压等级和类型。

⑸根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过滤过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度选择电机的额定转速。

此外，选择电动机还必须符合节能的要求。考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易程度，以及产品价格、建设费用及生产过程中前后期电动机容量变化等因素。

由于是在矿井下工作的电机，故除了能达到传动的功率要求之外，还应该作到符合矿山安全规则中的防爆要求。为此，选用YBK系列隔爆型三相异步电动机。该系列电动机是轴向全封闭自扇冷鼠笼型隔爆型三相异步电动机，具有效率高，起动转矩大，噪声低，振动小，温升幅度大，性能优良，隔爆结构先进合理，使用安全可靠，体积小，重量轻，外形美观等特点。一般制成隔爆型“Di”，适用于有甲烷或煤尘爆炸性混和气物的矿井中。（其中各符号的含义为：K——矿用；d——隔爆型电气设备；I——煤矿井下用。）表2-1、表2-2为所选电机的基本尺寸及基本技术参数。

 

 

表2-1  YBK132M-6的外形尺寸

机座号	级数	A	A/2	B	C	D	E	F	G	H	K	M	N
132M	2	216	108	178	89	38	80	10	33	132	12	265	230

 

 

表2-2 YBK系列隔爆型三相异步电动机技术数据

 

型号	功率 (KW)	电流 (A)	转速 (r/min)	效率 (%)	功率因数 (Cosφ)	转动惯量 (Kg·m2)
YBK132M-6	4	9.4	960	84	0.77	0.203

 

型号	噪声 Db(A)	外形尺寸 长x宽x高 (mm)	重量 (Kg)
YBK132M-6	71	550x380x470	90

+

 

 

3.    减速机的选择

考虑到速度比较大（，减速器使用单级轴向剖面圆弧齿圆柱蜗杆减速器。这种减速器适用于矿山、冶金、起重、化工及建筑等机械的各种减速装置。输入轴转速一般不大于1500rpm，工作环境温度为−40~45℃，高速轴可正反转。

根据《机械传动设计手册》，这种减速器的装配型式有四种：通用型、蜗杆下置型、蜗杆上置型、蜗杆侧置型。为便于与电机的安装和考虑到减速器的输出轴又要与附带着的摩擦轮相连接，选用了蜗杆下置型（代号为WHX）又因为是不经常工作或间歇性工作，可选用不带风扇型式。

最后选用了型号为−160−9−Ⅰ中心距为160mm，公称传动比为50。如图2-5所示为减速器的外形及安装图。

图2-5

表2-3减速器的外形基本尺寸

 

 

4.    手摇机构的设计

⑴手摇机构的基本结构

手摇机构主要由绳轮、轴套、外铜套、内铜套、油杯、挡圈通过销、与螺纹联接。在设计结构时应考虑到部件需要油润滑，便于安装、使用与维护等因素。如图2-6所示。

 

图2-6 摩擦轮简图

⑵结构设计计算

钢丝绳的速度：

电动机的转速：

经过一系列的试选，确定减速机的转速比为：

由

式中  ——减速机的输出转速  ;

 

 

得

 

 

式中  ——摩擦轮的直径  m;

所以选摩擦轮的直径为：200mm

5.联轴器的选用

在本设计的传动系统中，电动机与减速器需要用联轴器实现连接

在某一特定条件下的传动，如何选择比较恰当的联轴器，不仅影响联轴器本身的性能和寿命，也关系到整个机械的工作性能、使用寿命、维护和经济性能等。当选择联轴器类型时应考虑以下因素：

⑴联轴器传递的载荷和性质  不同结构和材料的联轴器的承载能力差别很大。通常弹性联轴器都具有缓和冲击的作用并且金属弹性元件的联轴器的承载能力要高于非金属弹性元件的联轴器

⑵联轴器的工作转速  不同类型的联轴器适应的转速范围也不一样。尤其是在变速下工作是，应选用能适应速度突变引起的惯性冲击和振动的联轴器。

⑶联轴器联结两轴的相对位移  这是由于种种原因，联轴器所联结的两轴是难免要发生相对位移的。

⑷联轴器工作环境  在选择类型时，必须考虑工作环境的影响。例如温度、湿度、油、溶剂、阳光等对含有橡胶弹性元件的联轴器的影响较大，易引起橡胶老化而改变其物理性能和机械性能。

有上述因素并考虑到联轴器需承受一定的冲击，及井下安装条件的复杂。故而选用弹性联轴器。弹性联轴器除了能够补偿两轴的相对位移，降低对联轴器安装的精确对中要求外，更重要的是能够缓和冲击，改变轴系的自振频率，避免发生严重的危险性振动。此外，这种联轴器还具有结构紧凑，装配方便，减振吸振等的特点。

由于比较常用的联轴器已经系列化和标准化。因此，在选用标准的联轴器类型后要确定联轴器的基本尺寸（型号）

在选用联轴器型号时，一般都是以联轴器所传递的计算转矩T_c小于或等于所选联轴器的额定转矩T_n为准则。联轴器实际需要传递的转矩常用计算转矩T_c表示，它等于联轴器的理论转矩乘以大于1的工作情况系数K，即

T_c=KT≤T_n

式中 T——理论转矩 N•m；

     T_n——额定转矩 N•m，在手册中可查得；

     K——工作情况系数，其值与动力机和工作机的类型、工作条件、传动轴系的转动惯量有关。

表2-2列出了几种常用情况下的K值

表2-2常用情况下的K值

 

 

 

3.3.2  传动系统的设计计算

在风门的开闭过程之中，风门的受力情况如图2-6所示

 

图2-6

式中   ——上导轨摩擦力  N;

——门体质量 

——钢与铸铁间的摩擦系数

式中  P——门体所受的压差(由120mm水柱换算而来)  Pa;

S——门体的面积 ;

式中 

 

式中  ——门体所受的总的摩擦力  N;

式中  ——拖动门所需的最小功率  w;

      ——门体运动的速度  ;

参见带传动中张紧力的计算方法来计算钢丝绳的张紧力

式中  ——名义传动功率  ;

 

 

——工作情况系数(交流异步电动机,工作平稳,根据<<机械设计>>表11.5选得)

 

式中  ——钢丝绳受的张紧力  N;

——钢丝绳根数;

——包角系数;

——单位长度钢丝绳的质量  ;

 

      

 

 

 

 

3.4      张紧装置的设计

张紧装置用来绷紧钢丝绳，避免钢丝绳与绳轮之间打滑。钢丝绳的张紧是通过在钢丝绳的一端悬挂水泥重锤利用重力的作用来实现。在设计结构时考虑到需用一个重锤来张紧两端的钢丝绳，故需通过一个张紧组件来实现，这一张紧组件结构如图2-7所示：

       

 

1-支架组件  2-张紧轮框架   3-轴、卡板    4-滑轮

图2-7 张紧组件结构图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4                       自动风门的控制系统设计

4.1      控制系统设计思路

4.1.1  控制系统的组成

控制系统由DSPIC33F控制器，各种传感器，检测装置等组成。

4.1.2  DSPIC33F采用典型的计算机结构

由中央处理单元、存储器输入输出接口电路、总线单元和电源单元等组成。

DSPIC33F是以微处理器为核心的数字式电子自动控制装置，是一种专用微机。和计算机一样，DSPIC33F也具有相应的操作系统，也是由硬件和软件两大部分组成的。DSPIC33F的软件部分分为系统软件和应用软件类。系统软件一般由生产厂根据产品情况，为了充分发挥DSPIC33F的硬件功能，方便用户使用而编制的。系统软件一般用来管理、协调DSPIC33F各部分工作，翻译用户程序、进行故障诊断等等。应用软件是为了解决某个具体任务而编写的用户程序、它是针对具体任务而编制的，同一台DSPIC33F，配上不同的应用软件，可以完成各种不同的控制任务。顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解释控制逻辑，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号。DSPIC33F是一种实时工业控制计算机系统。

4.1.3  系统的基本结构框图如下图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 系统的基本结构框图

1.中央处理单元CPU

CPU是DSPIC33F的核心，其主要作用是：

⑴接受从编程器输入的用户程序，并村如程序存储器中；

⑵用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据存储器中；

⑶执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序结实后逐条执行，完成程序的逻辑和算术运算，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作；

⑷通过鼓掌自诊断程序，诊断DSPIC33F的各种运行错误。

因此，CPU的性能对CPU的整机性能有着决定性的影响。

2.存储器

DSPIC33F的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。

⑴系统程序存储器（区）

该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是DSPIC33F研制者所编的程序，它是决定DSPIC33F性能的关键。系统程序包括监控程序、结解释程序、故障自诊断程序、标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在POM或EPROM中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调DSPIC33F各部分的工作、翻译、解释用户程序，进行故障诊断等。

⑵用户程序存储器（区）

    该存储器存放用户程序（应用程序）。用户程序是用户为解决实际问题并根据DSPIC33F的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经CPU存放入用户程序存储器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善、该存储器使用RAM。

⑶变量（数据）存储器（区）

变量存储器存放DSPIC33F的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O寄存器、定时器/计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在CPU进行逻辑运算时需随时读出、更新有关内容，所以，变量存储器也采用RAM。

现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可靠性。通常DSPIC33F产品资料中所指的内存储器容量，是指用户程序存储器而言，且以字（16位/字）为单位来表示存储器的容量。

3.输入输出接口（简称I/O）

输入输出接口是CPU与工业现场装置之间的连接部件，使DSPIC33F的重要组成部分。与微机的I/O接口工作于弱电的情况不同，DSPIC33F的I/O接口是按强电要求设计的，即其输入接口可以接受强电信号，其输出借口可以直接和强电设备相连接。

对于小型DSPIC33F，厂家通常将I/O部分就装在DSPIC33F的本体部分，而对于中、大型DSPIC33F，各厂家通常都将I/O部分做可恭选取、扩充的模块组件，用户可根据自己的需要选取不同功能、不同点数（1点相当于微机I/O接口的1位）的I/O组件来组成自己的控制系统。

为便于检查，每个I/O点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示灯发光指示。用户可以方便地检查各点的通断状态。输入接口的功能是采集现场各种开关接点的状态信号，并将其装换成标准的逻辑电平，送给CPU处理。

一般的输入信号多为开关量信号，各种开关量输入接口的基本结构大同小异，常有支流和交流开关量输入接口电路两种。

电路中光电耦合器件的作用有三：                     

⑴实现现场与DSPIC33F主机的电气隔离，以提高抗干扰性，因为该器件的发光二极管Vo与光电三极管VTo之间是靠光线耦合传递信息的，在电气上彼此绝缘，一些干扰电信号不易串入；

    ⑵避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机；

    ⑶电平变换，现场开关信号可能有各种电平，光电耦合器将它们变换成DSPIC33F主机要求的标准逻辑电平。

交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是，前者要由现场提供交流电源，输入的交流信号经整流后得到直流，再去驱动光电耦合器。

在机械设备中，除开关量外，还常遇到一些模拟量如温度、压力、位移和速度等。对这些模拟量进行采集时，必须经模数转换器（ADC）将模拟量转换成数字量，才能为DSPIC33F的CPU所接受。

为适应不同的负载，输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载；双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。

4．编程器

编程器是DSPIC33F中一种主要的外部设备，它是开发、维护DSPIC33F控制系统的必备设备。编程器用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视，还可以通过其键盘去调用与显示DSPIC33F的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯，以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符或命令语言助记键符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。编程器有便携式和CRT智能式两大类。前者只能联机编程，而后者既可联机编程，又可脱机编程。便携式编程器体积小，重量轻，可随身携带，便于在生产现场使用。CRT智能式编程器的主要缺点是体积大，价格贵，不便于在生产现场使用。一般的小型DSPIC33F主要采用便携式编程器。编程器是专用的，不同型号的DSPIC33F都有自己专用的编程器，不能通用。DSPIC33F正常工作时，不一定需要编程器。因此，多台同型号的DSPIC33F可以只配一个编程器。

DSPIC33F的外部设备还有盒式录音机、打印机。EPROM写入器及高分辨率屏幕彩色图形监控设备等。

 

 

 

 

 

 

4.2        控制系统的工作过程及流程图

4.2.1  控制系统的工作过程

具体的风门系统的工作过程如下：

1.上行或下行车辆通过车灯脉冲照射申请开门时，系统均产生申请信号 ，A、B门申请开门信号以先得到者有效，后得到者保持。

2.A门（或B门）申请开门信号有效时，执行开门操作，同时有灯光指示，门开后延时15–30秒，此期间若还有申请信号，再延时15秒，在检测无障碍情况下，执行关门操作。A（或B）门关闭后，延时2秒，B门（或A门）执行开门操作，同时有灯光显示，开门后延时30秒，在检测无障碍情况下执行关门操作。

3.当下行车辆通过B门（或上行车辆通过A门）期间，若有上行车辆申请B门开门信号（或下行车辆申请A门开门信号）则B门（或A门）继续延时30秒，上行（或下行）车辆可进入B门（或A门），然后再执行后续程序。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2.2  控制系统工作流程图