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動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，并設(shè)計(jì)了一套適應(yīng)于礦山生產(chǎn)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)軌道衡監(jiān)控系統(tǒng)，包括將傳統(tǒng)的模擬信號傳輸改為更為穩(wěn)定的數(shù)字信號傳輸，基于RS485的現(xiàn)場總線工作模式以及采用輪計(jì)重的計(jì)量方式，這些技術(shù)的改進(jìn)使系統(tǒng)更加適合于礦山生產(chǎn)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(jìn)行計(jì)量的設(shè)備，分為靜態(tài)軌道衡與動(dòng)態(tài)軌道衡兩類，動(dòng)態(tài)軌道衡是指對行進(jìn)中的軌道貨車進(jìn)行稱量，并對稱量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理的衡器。我國軌道衡計(jì)量技術(shù)出現(xiàn)于1954年，當(dāng)時(shí)的軌道衡主要為機(jī)械靜態(tài)軌道衡；到上世紀(jì)70年代末期我國開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)電子軌道衡，但受當(dāng)時(shí)國產(chǎn)傳感器和電子元器件質(zhì)量的制約，計(jì)量性能和穩(wěn)定性并不理想；目前我國的軌道衡產(chǎn)品市場已經(jīng)十分繁榮，軌道衡技術(shù)發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)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(chǎn)的產(chǎn)品卻并不多。

目前市場上的自動(dòng)軌道衡產(chǎn)品大多是針對于鐵路計(jì)量的應(yīng)用需求，其計(jì)量對象質(zhì)量大、基礎(chǔ)施工條件好、列車運(yùn)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(dòng)軌道衡技術(shù)應(yīng)用于礦車測量的技術(shù)難度很大。這是礦山存在軌道不平直、車輛養(yǎng)護(hù)狀況差、車軸、車輪變形嚴(yán)重、現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜、礦車無緩沖裝置、沖擊大、基礎(chǔ)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(nèi)還沒有適于礦山輕軌衡計(jì)量的成熟產(chǎn)品，而煤炭等礦山的精細(xì)化管理已成為當(dāng)前亟待解決的重大問題。

本文將結(jié)合信息技術(shù)與傳感器技術(shù)，對現(xiàn)有軌道衡系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)一套適合于礦山生產(chǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)軌道衡產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)根據(jù)工業(yè)應(yīng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集計(jì)量數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)。并通過數(shù)字網(wǎng)絡(luò)鏈路,將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)、監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)集成后，實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器上。監(jiān)控中心服務(wù)器接收、存儲(chǔ)并自分類、匯總各個(gè)煤礦的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，煤礦各管理部門根據(jù)監(jiān)控中心分配的權(quán)限，查詢和打印煤礦產(chǎn)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)由四大子系統(tǒng)集成，分別是：稱重子系統(tǒng)，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)利用與顯示子系統(tǒng)。

1)稱重子系統(tǒng)：煤礦在軌道適宜計(jì)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(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將產(chǎn)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地并傳送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)自動(dòng)稱重計(jì)量。

2)視頻監(jiān)控子系統(tǒng)：將監(jiān)控點(diǎn)高清日夜兩用攝像機(jī)獲得的圖像，通過前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心，能夠?qū)γ旱V出煤情況進(jìn)行24小時(shí)不間斷的監(jiān)控。

3)傳輸子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場傳感器信號、分析和處理稱重?cái)?shù)據(jù)、將圖像信息和稱重?cái)?shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程電子監(jiān)控中心。

4)數(shù)據(jù)利用與顯示子系統(tǒng)：將前端的計(jì)量數(shù)據(jù)解析、入庫、統(tǒng)計(jì)匯總，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、設(shè)備工況信息實(shí)時(shí)顯示、故障自動(dòng)報(bào)警等功能。

2技術(shù)要點(diǎn)

2.1信號傳輸方式

本系統(tǒng)利用前端的“數(shù)據(jù)采集器”接收傳感器輸出的毫伏級電壓信號，在采集現(xiàn)場經(jīng)過高速ADC轉(zhuǎn)換器將毫伏級電壓轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，通過485通信協(xié)議將數(shù)字信號傳輸給計(jì)量控制器。這種方式很好的克服了傳統(tǒng)軌道衡系統(tǒng)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(diǎn)為：1)傳輸距離遠(yuǎn)RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為1219米，實(shí)際上可達(dá)3000米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)方式150米的傳輸限制。采用新方案后，監(jiān)控設(shè)備一般情況下可直接安裝在煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控室內(nèi)，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(jìn)行工作點(diǎn)光纖的延伸工作。

2)信號傳輸抗干擾性強(qiáng)

RS485通信屬于數(shù)字通信范疇，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、稱量準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。數(shù)字信號只有“0”、“1”兩個(gè)電平，數(shù)字化后的信號是用若干位二進(jìn)制的兩個(gè)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(shù)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(cuò)編、解碼技術(shù)把它們糾正過來。所以，在數(shù)字信號傳輸過程中，不會(huì)降低信噪比，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的準(zhǔn)確。

2.2信號控制方式

傳統(tǒng)的軌道衡系統(tǒng)采用的是“點(diǎn)對點(diǎn)”的設(shè)備連接模式（單臺工作模式）。即1臺計(jì)量控制器只能對應(yīng)1臺信號變送器。每條軌道均需安裝獨(dú)立的計(jì)量控制器、信號變送器以及前端的傳感器。點(diǎn)對點(diǎn)的連接模式以及傳輸距離的限制會(huì)使得整個(gè)項(xiàng)目的工程投資費(fèi)用增大。在多軌模式下必須為每條軌道安裝單獨(dú)的監(jiān)控設(shè)備。監(jiān)控設(shè)備安裝數(shù)量因軌道數(shù)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(hù)的難度，施工時(shí)每條軌道上的計(jì)量控制器都要單獨(dú)安裝、調(diào)試和設(shè)置，同時(shí)也會(huì)增加其后期出現(xiàn)故障設(shè)備的概率，增大后期維護(hù)的工作量。

本系統(tǒng)技術(shù)方案采用基于RS485的現(xiàn)場總線工作模式:1臺計(jì)量控制器可配接多臺數(shù)據(jù)采集器，從傳統(tǒng)的“單點(diǎn)”連接方式變?yōu)?ldquo;多點(diǎn)”連接模式，使系統(tǒng)具有多站能力。本系統(tǒng)采用RS485的組網(wǎng)方式。RS485總線接口作為多點(diǎn)、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，現(xiàn)已成為業(yè)界應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)，其部署的靈活性更強(qiáng)，在面對單軌、多軌復(fù)雜的出煤情況時(shí)，也能夠依據(jù)實(shí)際情況靈活組網(wǎng)。這就降低了工程施工難度，同時(shí)也降低了煤礦的使用成本。

2)設(shè)備擴(kuò)展性好

因采用“多點(diǎn)”的設(shè)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(tǒng)下的新采集節(jié)點(diǎn)，納入到原有計(jì)量系統(tǒng)中來。其后期部署實(shí)施簡單，投資小，不影響原系統(tǒng)的使用。

2.3計(jì)重方式

傳統(tǒng)軌道衡系統(tǒng)多采用軸計(jì)重的方式，即每次過車時(shí)對前后軸分別采集4000至5000個(gè)數(shù)據(jù)，用于后期的重量計(jì)算。這種方式對環(huán)境的要求較高，基礎(chǔ)使用條件好、列車運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定、軌道平直的鐵路軌道衡多采用這種計(jì)量方式。但礦山存在礦車沖擊大、軌道不平、軸變形、輪變形、運(yùn)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(jì)重的計(jì)量方式易導(dǎo)致判車不準(zhǔn)、計(jì)量精度低等問題。

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

3系統(tǒng)前端主要監(jiān)控設(shè)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(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)自動(dòng)稱重。當(dāng)?shù)V車經(jīng)過稱重傳感器時(shí),礦車皮重+礦車內(nèi)物質(zhì)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(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)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(shù)字化信號采集器

將mV信號轉(zhuǎn)變數(shù)字485信號，滿足數(shù)據(jù)穩(wěn)定遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字化信號采集器是一種將傳感器輸出的0~30毫伏信號經(jīng)A/D放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字化得RS485信號，該信號采集器實(shí)現(xiàn)了電源、信號全隔離，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場采用了振動(dòng)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(yùn)行過程中對地面產(chǎn)生振動(dòng)原理，在礦車運(yùn)輸導(dǎo)軌下埋設(shè)振動(dòng)傳感器，監(jiān)測車輛通過。該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)監(jiān)控方式隱蔽，不易被礦主察覺。

2)完全埋設(shè)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(dòng)識別，能有效監(jiān)控礦主“搭橋作弊”情況。對礦主虛報(bào)出礦線路也能進(jìn)行有效監(jiān)控，解決多岔道出煤問題。

3.4計(jì)量控制器(控制箱)

控制箱負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場傳感器信號、分析和處理稱重?cái)?shù)據(jù)、將圖像信息和稱重?cái)?shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程電子監(jiān)控中心。具有以下功能：

1)自動(dòng)稱重

采用單軸稱重方式，礦車運(yùn)行時(shí)前、后軸分別通過傳感器單獨(dú)稱重，當(dāng)?shù)V車后軸完全經(jīng)過傳感器后系統(tǒng)把前、后軸重量相加，匯總單車重量數(shù)據(jù)。

2)礦車運(yùn)行方向自動(dòng)識別

礦車運(yùn)行經(jīng)過稱重裝置時(shí)，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(jìn)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(jìn)礦方向。3)速度動(dòng)態(tài)誤差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)V車動(dòng)態(tài)通過稱重傳感器，不同速度下對傳感器產(chǎn)生作用力不一樣，系統(tǒng)自動(dòng)測量礦車運(yùn)行速度，自動(dòng)補(bǔ)償由于速度產(chǎn)生的誤差影響。

4)煤與非煤（矸石）物質(zhì)自動(dòng)區(qū)分

系統(tǒng)自動(dòng)將真實(shí)稱重重量扣除礦車皮重得到稱重物質(zhì)的重量，該重量除以礦斗容積得到該稱重物質(zhì)的密度（比重）系數(shù)，根據(jù)預(yù)先界定范圍（密度系數(shù)，通常由政府管理部門確認(rèn)）確認(rèn)該物質(zhì)是煤或其他非煤（矸石）物質(zhì)。

5)網(wǎng)絡(luò)自檢功能每次數(shù)據(jù)發(fā)送前與中心端建立Socket連接，等中心端準(zhǔn)備好后發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后釋放Socket資源，數(shù)據(jù)休眠期間，定時(shí)發(fā)送心跳包檢測、維持中心線路通道。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)堵塞、斷線、Socket連接未成功時(shí)，本地保存未發(fā)送數(shù)據(jù)、圖片，待系統(tǒng)檢測到網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)發(fā)未發(fā)送數(shù)據(jù)、圖片。6)24小時(shí)設(shè)備自檢，故障弱化處理主控芯片采用ARM系列32位芯片設(shè)計(jì)，運(yùn)行速度快，詢址范圍寬，對系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備，傳感器狀態(tài)，控制器外網(wǎng)電源，主控板電源，儲(chǔ)存器狀態(tài)，控制器溫度等，24小時(shí)3秒間斷自檢，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息。同時(shí)對運(yùn)行設(shè)備弱化處理，如傳感器出現(xiàn)零點(diǎn)漂移時(shí)，意味傳感器已出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)跟蹤、自動(dòng)校準(zhǔn)稱重裝置，在等待故障處理過程仍能進(jìn)行正常工作。檢測到控制器出現(xiàn)高溫狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整芯片運(yùn)行模式，降低功率運(yùn)行或關(guān)閉輔助端口。

3.5雷擊保護(hù)裝置

系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)防雷保護(hù)技術(shù)，解決系統(tǒng)被雷擊的后顧之憂。該系統(tǒng)在礦山使用，容易受到感應(yīng)雷擊。主要防范380/220V低壓系統(tǒng)，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(cè)經(jīng)低壓線路進(jìn)入設(shè)備220VAC電網(wǎng)感應(yīng)雷擊的防范。架空電纜視頻信號、傳輸信號電纜感應(yīng)雷擊的防范。室外運(yùn)輸導(dǎo)軌被空中帶電云強(qiáng)電場的感生電動(dòng)勢沖擊監(jiān)控電子設(shè)

備感應(yīng)雷擊的防范。

4結(jié)束語

軌道衡技術(shù)對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義，目前我國鐵路運(yùn)輸80%的貨運(yùn)量都要經(jīng)過軌道衡來進(jìn)行計(jì)量，但是在礦山資源的生產(chǎn)，尤其是煤礦企業(yè)的生產(chǎn)中，信息監(jiān)控的力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此本系統(tǒng)的開發(fā)對于煤礦產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有著十分重要的意義。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于貴州省六盤水市的部分煤礦，經(jīng)過在煤炭生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地檢測，系統(tǒng)能夠適應(yīng)礦山惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，軌道衡的誤差能夠控制在3.0%以下，系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求。目前整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

 

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