基于人员定位及瓦斯监测的智能矿灯设计
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3ห้องสมุดไป่ตู้3电源电路 电源采用低压差线性芯片SPXl 117—3.3,该芯片能 够输出稳定的3.3V电压,给Mcu提供工作电源。同时采 用MCl403芯片产生2.5V给传感器供电,电源电路如图
6、7所示。
翻造业售息化
和瓦斯浓度,两部分按 照通信协议组成一帧发 送出去,人员ID是一个 8位的二进制数据,处于 一帧的前部分,首先传 送的是这一部分,当发 报警模块主要采用 三极管9013来驱动发光 二极管及扬声器实现声 光报警。如图8所示, ALARM接到MCU的 P2.O口,当该端口输出 “1”时,三极管导通,蜂鸣 器的地回路通过三极管 生碰撞时,利用二进制 碰撞算法对这一部分数 据进行处理,从而确定 要碰撞矿灯发送数据的 先后顺序。整个无线通 信都由模块nRF905完 成,它能够全双工通信。 即可以同时发射和与接收数据。MCU将数据通过SPI接 口发送给nRF905模块,该模块会自动在数据前后分别 LCD显示主要用来 实时显示当前的瓦斯浓 度。液晶采用12864,八 个数据口(DB0一DB7)分 别接MCU的Pl口及部 分P2口,RD、WR为液 晶的三个控制引脚,分别 读、写。分别接到MCu
的P3.4和P3.5,由这两
3.4报警及显示电路
接通,蜂鸣器鸣叫?
加上前导码和校验码,组成一帧数据发送出去[71。
5结语
本文就一种新型多功能智能矿灯系统的设计展开分 析。讨论了瓦斯监测和人员定位功能在矿灯上的实现,本 系统已经在部分煤矿得到应用,实验证明,系统运行效果 良好,稳定可靠。随着信息技术的发展,相信矿灯将会集成 更多更有用的功能,为提高煤矿安全生产发挥重要作用。
integrated in the miner’s lamp,which
can
coordinate with mine reader sub—station and ground cent豫l
station.The lamp has the function of g幽monitoring and positioning.The des培n of the system’s hardware and software
作者简介:朱广(1979一),男,讲师,硕士研究生,研究方向为自动化、 信号与信息处理、机电一体化。 收稿日期:2013—04—07
近日,沈机集团昆明机床股份有限公司推 出了一款KHBll0高性价比自动卧式铣镗床。 该款新品与老产品相比功能大幅增加,外观变 得靓丽新颖,价格却只是普通机床的价格。其 奥秘就在于,研发制造者昆机在产品的结构优 化上实现了重大突破,简化了结构,又能满足 用户对加工精度和加工效率的需求,为了降低 产品成本,昆机还与数控系统供应商共协同设 计开发出了一款既简单又能实现多轴控制的 数控系统。
斯含量的上
翩造业信息化
限,如若超限 则继电器动作 从而驱动声光 报警。瓦斯传 感器选择气敏 传感器MJc4/3.0,瓦斯监测电路如图4所示。 无线发射模块采用nRF905模快,nRF905无线收发 模块是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工 3矿灯系统硬件设计 矿灯的硬件主要包括:单片机主控电路、瓦斯监测电 路、无线通信电路、报警功能电路、显示电路。结构组成如 图2所示。 作电压为1.9~3.6V,QFN 封装,工作于433,868/ 915MHz3个ISM频道。 nRF905模块负责将数 据(矿灯编号和瓦斯浓 度数据)发送出去,由对 应的接收装置(接 收分站)接收,接收 装置将接收的数据 通过总线传送至地
modules is completed. Key words:miner’s lamp;personnel positioning;gas monitoring
1引言
能够将井下人员分布、位置信息及时上传地面中心站。改 变了传统矿灯的功能单一问题,从而提高了煤矿的安全 生产和防灾救灾能力“.2]。 具有瓦斯监测、人员定位等功能的新型智能矿灯,可 以实现矿灯瓦斯的移动监测,同时还能够实现井下人员 定位,而传统的矿灯大部分还只是照明工具,即使有些矿 灯也具备瓦斯检测报警功能,但检测数据并没有上传至 地面,本智能矿灯是对传统矿灯的一大改进,通过将瓦斯 数据和人员定位数据上传地面中心站,使地面能够及时 了解井下人员的位置、分布及瓦斯含量,从而能够提高煤 矿安全生产能力[3】。 系统在普通带材轧制时是基本可以满足要求的,但对于 产品性能要求越来越高的高强钢和深冲钢来说,我们需 要更高性能的AGc控制系统。该系列专利技术目前已经 在我公司多个项目上进行了实际使用,大大提高了轧制 力控制的精度和稳定性,对提高产品性能和产品质量起 到了关键性作用。
中图分类号:TH7
The
文献标识码:A
文章编号:1002—2333(2013)05一∞79—03
on
Desi驴of Intemg蚰t Mi眦r’s L锄叩B嬲ed
(Anhui
me
Perso曲el Posi60ning and G嬲Monitoring
23060l,China)
ZHU Guang
Unive璐ity of Architecture,Hefei
翻造业信息化
仿一,■一,队D,cI^M,cM;,cAPP皿墨墨墨雹圜曩匝匪瞄墨l墨四
基于人员定位及瓦斯监测的智能矿灯设计
朱广 (安徼建筑工业学院机电学院,合肥230601)
摘要:鉴于目前大多数矿灯功能单一,智能化程度低。介绍了一种新型多功能智能矿灯系统的设计,通过将传感器技 术、无线通信技术集成在矿灯中,配合矿井读卡分站及地面中心站,使其具有瓦斯监测和人员定位的功能。文中就该智 能矿灯展开设计,完成了系统的软硬件模块设计。 关键词:矿灯;人员定位:瓦斯监测
[参考文献.] [1]赵吉风.冷轧带钢的精整[M].北京:冶金工业出版社,1985. [2]罗伯茨w L冷轧带钢生产[M]一E京:冶金工业出版社,1985. [3]丁文红.平整机的板形改善机制及其应用[J].轧钢,2012,29(1):
26—28.
矿灯是煤矿井下矿工的眼睛,矿灯的好坏直接影响 着井下矿工的生命安全与工作效益,随着科技创新的不 断发展,对矿灯要求越来越高。安全性和多功能性越来越 成为矿灯重要的指标,早期的矿灯功能单一,大多数只有 照明功能,即使后来出现的报警矿灯也只具有瓦斯监测 报警功能,并没有与地面联网构成系统,地面管理人员无 法通过报警矿灯及时获取井下瓦斯状况,更无法知道井 下人员的位置、分布等信息。新型多功能矿灯具有瓦斯监 测超限报警功能且能够将信息传输至地面中心站,解决 了原报警灯信号不能被上位机获取的问题。同时该矿灯 压控制技术等。双伺服阀控制技术通过利用不同伺服阀 在阀口特性、频宽特性以及压力一流量特性等方面的不 同,根据不同的工况综合使用两伺服阀(如图5,双伺服阀 控制系统)。由于在用小轧制力进行轧制时,难于进行流 量补偿,使得压下系统加载和卸载的调速特性不同。这时 可考虑采用预减压/大背压控制技术,即对供油压力进行 预减压,使得伺服阀的供油压力近似等于小轧制力对应 的压下缸控制腔压力的2倍,这时就满足了伺服阀和系 统的双向特性一致的先决条件。同时,可以增大背压力以 提高减压阀的设定值,以使得大背压下小轧制力时所需 控制压力增大至便于控制的范围。伺服阀前设置减压阀, 一定程度上增加了能耗;但伺服阀前设置减压阀比未设 置减压阀时所需要的峰值流量却减少了,如图6所示。
MsP430
个端口控制液晶的读写。 如图9所示。 4软件设计 4J矿灯主程序设计 采用freescale 16位增强型HcSl2 CPU,片内总线频 率达60MHz,内置watchdog,可防程序死锁跑飞。内置低 功耗睡眠功能,芯片可 加密,只需要设置几个 寄存器就能实现程序的 加密,可防止程序代码 的非法拷贝。软件用C 语言编程,采用模块化 设计方法,包括主程序, 初始化子程序,数据采 集子程序,发送/接受子 程序,光报警及声报警 驱动程序等。主程序流
【参考文献】 [1]谷守碌.我国瓦斯报警矿灯的现状及其发展方向的探讨[J].煤 炭科学技术。1996,24(4):35—37. [2]张景辉,文熙权.单片机控制甲烷警报矿灯的研制[J].煤炭技 术,2002,2l(1):20-21. [3]刘海军.甲烷报警矿灯的应用实践[J].煤,2006(4):34—35. [4]田大垒,关荣锋,王杏.新型LED矿灯的设计与仿真[J].煤矿机 电。2007(6):46—47. [5]
中心通过上位机软 件和数据库完成瓦 斯信息的实时监 测,同时根据接收 分站地址、矿灯编
号完成人员的实时
定位。nRF905电路 接口如图5所示。
80
l机械工程师2013年第5期
万方数据
■■●■■■■■■■■■■—■—●■—■■■■■■■■■■—■一仿一,■一,cAD,cAM,c^E,CAPP皿皿墨圆西皿重墨瞄雹田圈团
79
万方数据
衄墨匠墨西皿重匝墨皿墨墨圜仿一,蠢一,cAD,cAM,cAE,cAPP—■■■■—■■■■■■■■■■●—————■■■■■■■■■■_
2总体设计 将矿灯系统与Pc机结合起来构成一个集照明、瓦斯 监测、瓦斯超限报警及人员定位的多功能系统,提高了煤 矿生产的自动化水平。本系统以单片机为核心构成智能 瓦斯报警器,能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控 制、信号滤波、零点漂移的抑制和非线性处理等。克服了 当前瓦斯报警矿灯存在零点漂移较大,维护周期短,抗机 械干扰能力差等问题。 采用无线通信技术和现场总线技术使矿灯具有人员 移动定位的功能,通过现场总线可将这些信息传输到地 面中心站,使地面管理人员能够了解井下人员的位置及 分布信息,实现了矿灯的多功能性,从而可以解决当前瓦 斯报警矿灯功能单一的问题…。 如图1所示,由智能矿灯通过现场总线及传输接口 至地面上位机,嵌入到当前的矿井安全监控大系统中。从 而完成了人员定位和瓦斯监测的功能。无线通信模块采 用单片射频收发器芯片nRF905,来实现瓦斯信息和人员 位置信息的上传,从而可以构成一个集照明、瓦斯监测报 警、人员定位的综合系统。其中人员信息用矿灯的编号来 表示,人员的位置用无线接收分站的位置表示。 瓦斯功能模块主要由瓦斯监测电路来实现瓦斯监 测,瓦斯检测电路由瓦斯传感器、信号放大电路等组成。 瓦斯传感器内部是基于电桥的检测原理,在瓦斯含量为 零时电桥是平衡的,没有电压输出。当空气中含有瓦斯气 体时,瓦斯气体使传感器内部的催化元件产生无焰催化 燃烧,从而温度增高,桥臂的阻值变化,此时电桥不再平 衡,故有信号电压输出【6]。这个电压信号,经过放大等信号 调理后输入单片机的AD口,单片机通过AD采集信号, 经过软件计算后将瓦斯浓度在液晶上显示出来,并判断 当前的瓦斯浓 度是否超过瓦
面监控中心。监控
3.J单片机主控电路 Mcu选择MSP430系列的一款低功耗单片机。它是TI 公司近年来推出的一款高档16位单片机,片上外围功能 模块丰富,超低功耗,性价比高,开发方便简洁。片内已集 成10通道AD,3个并行端口,一个RS485串行通讯口[5], 被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、工业监测等领 域。如图3,全部已通过网络标号与外围电路连接,实现 对应的功能。
程图如图10所示。
dat鹅heet[EB,0L]-http:仇rwl甲.1rI.com,2007.
[6]同一功,张磊.矿灯式甲烷测报仪设计[J].煤矿安全,2008(9):
13一14.
[7]吴强,沈斌,刘新蕾.基于微功率无线通信的瓦斯报警矿灯研究 [J].煤矿机械。2008,29(12):139一140. (编辑启迪)
6结论
[4]宋祖峰,丁文红,陈利,等.武钢集团鄂钢1500一四辊平整机
设计实践[J].武钢技术,2008,46(6):46_49. (编辑黄荻) 作者简介:贺文健(1980_),男,工程师,主要从事冶金设备设计工作。 收稿日期:2013—04-07
通过测试和分析可以发现,常规的平整机液压压下
机械工程师2013年第5期l
Abs白删:Most
technology
are
of the miner’s 1amp has the disadvantage of single fhnction and low intelligent level.The design of
ihtenigent胁iner’s lamp system with multifunction is introduced. Sensor technology and wireless communication
6、7所示。
翻造业售息化
和瓦斯浓度,两部分按 照通信协议组成一帧发 送出去,人员ID是一个 8位的二进制数据,处于 一帧的前部分,首先传 送的是这一部分,当发 报警模块主要采用 三极管9013来驱动发光 二极管及扬声器实现声 光报警。如图8所示, ALARM接到MCU的 P2.O口,当该端口输出 “1”时,三极管导通,蜂鸣 器的地回路通过三极管 生碰撞时,利用二进制 碰撞算法对这一部分数 据进行处理,从而确定 要碰撞矿灯发送数据的 先后顺序。整个无线通 信都由模块nRF905完 成,它能够全双工通信。 即可以同时发射和与接收数据。MCU将数据通过SPI接 口发送给nRF905模块,该模块会自动在数据前后分别 LCD显示主要用来 实时显示当前的瓦斯浓 度。液晶采用12864,八 个数据口(DB0一DB7)分 别接MCU的Pl口及部 分P2口,RD、WR为液 晶的三个控制引脚,分别 读、写。分别接到MCu
的P3.4和P3.5,由这两
3.4报警及显示电路
接通,蜂鸣器鸣叫?
加上前导码和校验码,组成一帧数据发送出去[71。
5结语
本文就一种新型多功能智能矿灯系统的设计展开分 析。讨论了瓦斯监测和人员定位功能在矿灯上的实现,本 系统已经在部分煤矿得到应用,实验证明,系统运行效果 良好,稳定可靠。随着信息技术的发展,相信矿灯将会集成 更多更有用的功能,为提高煤矿安全生产发挥重要作用。
integrated in the miner’s lamp,which
can
coordinate with mine reader sub—station and ground cent豫l
station.The lamp has the function of g幽monitoring and positioning.The des培n of the system’s hardware and software
作者简介:朱广(1979一),男,讲师,硕士研究生,研究方向为自动化、 信号与信息处理、机电一体化。 收稿日期:2013—04—07
近日,沈机集团昆明机床股份有限公司推 出了一款KHBll0高性价比自动卧式铣镗床。 该款新品与老产品相比功能大幅增加,外观变 得靓丽新颖,价格却只是普通机床的价格。其 奥秘就在于,研发制造者昆机在产品的结构优 化上实现了重大突破,简化了结构,又能满足 用户对加工精度和加工效率的需求,为了降低 产品成本,昆机还与数控系统供应商共协同设 计开发出了一款既简单又能实现多轴控制的 数控系统。
斯含量的上
翩造业信息化
限,如若超限 则继电器动作 从而驱动声光 报警。瓦斯传 感器选择气敏 传感器MJc4/3.0,瓦斯监测电路如图4所示。 无线发射模块采用nRF905模快,nRF905无线收发 模块是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工 3矿灯系统硬件设计 矿灯的硬件主要包括:单片机主控电路、瓦斯监测电 路、无线通信电路、报警功能电路、显示电路。结构组成如 图2所示。 作电压为1.9~3.6V,QFN 封装,工作于433,868/ 915MHz3个ISM频道。 nRF905模块负责将数 据(矿灯编号和瓦斯浓 度数据)发送出去,由对 应的接收装置(接 收分站)接收,接收 装置将接收的数据 通过总线传送至地
modules is completed. Key words:miner’s lamp;personnel positioning;gas monitoring
1引言
能够将井下人员分布、位置信息及时上传地面中心站。改 变了传统矿灯的功能单一问题,从而提高了煤矿的安全 生产和防灾救灾能力“.2]。 具有瓦斯监测、人员定位等功能的新型智能矿灯,可 以实现矿灯瓦斯的移动监测,同时还能够实现井下人员 定位,而传统的矿灯大部分还只是照明工具,即使有些矿 灯也具备瓦斯检测报警功能,但检测数据并没有上传至 地面,本智能矿灯是对传统矿灯的一大改进,通过将瓦斯 数据和人员定位数据上传地面中心站,使地面能够及时 了解井下人员的位置、分布及瓦斯含量,从而能够提高煤 矿安全生产能力[3】。 系统在普通带材轧制时是基本可以满足要求的,但对于 产品性能要求越来越高的高强钢和深冲钢来说,我们需 要更高性能的AGc控制系统。该系列专利技术目前已经 在我公司多个项目上进行了实际使用,大大提高了轧制 力控制的精度和稳定性,对提高产品性能和产品质量起 到了关键性作用。
中图分类号:TH7
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文献标识码:A
文章编号:1002—2333(2013)05一∞79—03
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Desi驴of Intemg蚰t Mi眦r’s L锄叩B嬲ed
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Perso曲el Posi60ning and G嬲Monitoring
23060l,China)
ZHU Guang
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翻造业信息化
仿一,■一,队D,cI^M,cM;,cAPP皿墨墨墨雹圜曩匝匪瞄墨l墨四
基于人员定位及瓦斯监测的智能矿灯设计
朱广 (安徼建筑工业学院机电学院,合肥230601)
摘要:鉴于目前大多数矿灯功能单一,智能化程度低。介绍了一种新型多功能智能矿灯系统的设计,通过将传感器技 术、无线通信技术集成在矿灯中,配合矿井读卡分站及地面中心站,使其具有瓦斯监测和人员定位的功能。文中就该智 能矿灯展开设计,完成了系统的软硬件模块设计。 关键词:矿灯;人员定位:瓦斯监测
[参考文献.] [1]赵吉风.冷轧带钢的精整[M].北京:冶金工业出版社,1985. [2]罗伯茨w L冷轧带钢生产[M]一E京:冶金工业出版社,1985. [3]丁文红.平整机的板形改善机制及其应用[J].轧钢,2012,29(1):
26—28.
矿灯是煤矿井下矿工的眼睛,矿灯的好坏直接影响 着井下矿工的生命安全与工作效益,随着科技创新的不 断发展,对矿灯要求越来越高。安全性和多功能性越来越 成为矿灯重要的指标,早期的矿灯功能单一,大多数只有 照明功能,即使后来出现的报警矿灯也只具有瓦斯监测 报警功能,并没有与地面联网构成系统,地面管理人员无 法通过报警矿灯及时获取井下瓦斯状况,更无法知道井 下人员的位置、分布等信息。新型多功能矿灯具有瓦斯监 测超限报警功能且能够将信息传输至地面中心站,解决 了原报警灯信号不能被上位机获取的问题。同时该矿灯 压控制技术等。双伺服阀控制技术通过利用不同伺服阀 在阀口特性、频宽特性以及压力一流量特性等方面的不 同,根据不同的工况综合使用两伺服阀(如图5,双伺服阀 控制系统)。由于在用小轧制力进行轧制时,难于进行流 量补偿,使得压下系统加载和卸载的调速特性不同。这时 可考虑采用预减压/大背压控制技术,即对供油压力进行 预减压,使得伺服阀的供油压力近似等于小轧制力对应 的压下缸控制腔压力的2倍,这时就满足了伺服阀和系 统的双向特性一致的先决条件。同时,可以增大背压力以 提高减压阀的设定值,以使得大背压下小轧制力时所需 控制压力增大至便于控制的范围。伺服阀前设置减压阀, 一定程度上增加了能耗;但伺服阀前设置减压阀比未设 置减压阀时所需要的峰值流量却减少了,如图6所示。
MsP430
个端口控制液晶的读写。 如图9所示。 4软件设计 4J矿灯主程序设计 采用freescale 16位增强型HcSl2 CPU,片内总线频 率达60MHz,内置watchdog,可防程序死锁跑飞。内置低 功耗睡眠功能,芯片可 加密,只需要设置几个 寄存器就能实现程序的 加密,可防止程序代码 的非法拷贝。软件用C 语言编程,采用模块化 设计方法,包括主程序, 初始化子程序,数据采 集子程序,发送/接受子 程序,光报警及声报警 驱动程序等。主程序流
【参考文献】 [1]谷守碌.我国瓦斯报警矿灯的现状及其发展方向的探讨[J].煤 炭科学技术。1996,24(4):35—37. [2]张景辉,文熙权.单片机控制甲烷警报矿灯的研制[J].煤炭技 术,2002,2l(1):20-21. [3]刘海军.甲烷报警矿灯的应用实践[J].煤,2006(4):34—35. [4]田大垒,关荣锋,王杏.新型LED矿灯的设计与仿真[J].煤矿机 电。2007(6):46—47. [5]
中心通过上位机软 件和数据库完成瓦 斯信息的实时监 测,同时根据接收 分站地址、矿灯编
号完成人员的实时
定位。nRF905电路 接口如图5所示。
80
l机械工程师2013年第5期
万方数据
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万方数据
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2总体设计 将矿灯系统与Pc机结合起来构成一个集照明、瓦斯 监测、瓦斯超限报警及人员定位的多功能系统,提高了煤 矿生产的自动化水平。本系统以单片机为核心构成智能 瓦斯报警器,能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控 制、信号滤波、零点漂移的抑制和非线性处理等。克服了 当前瓦斯报警矿灯存在零点漂移较大,维护周期短,抗机 械干扰能力差等问题。 采用无线通信技术和现场总线技术使矿灯具有人员 移动定位的功能,通过现场总线可将这些信息传输到地 面中心站,使地面管理人员能够了解井下人员的位置及 分布信息,实现了矿灯的多功能性,从而可以解决当前瓦 斯报警矿灯功能单一的问题…。 如图1所示,由智能矿灯通过现场总线及传输接口 至地面上位机,嵌入到当前的矿井安全监控大系统中。从 而完成了人员定位和瓦斯监测的功能。无线通信模块采 用单片射频收发器芯片nRF905,来实现瓦斯信息和人员 位置信息的上传,从而可以构成一个集照明、瓦斯监测报 警、人员定位的综合系统。其中人员信息用矿灯的编号来 表示,人员的位置用无线接收分站的位置表示。 瓦斯功能模块主要由瓦斯监测电路来实现瓦斯监 测,瓦斯检测电路由瓦斯传感器、信号放大电路等组成。 瓦斯传感器内部是基于电桥的检测原理,在瓦斯含量为 零时电桥是平衡的,没有电压输出。当空气中含有瓦斯气 体时,瓦斯气体使传感器内部的催化元件产生无焰催化 燃烧,从而温度增高,桥臂的阻值变化,此时电桥不再平 衡,故有信号电压输出【6]。这个电压信号,经过放大等信号 调理后输入单片机的AD口,单片机通过AD采集信号, 经过软件计算后将瓦斯浓度在液晶上显示出来,并判断 当前的瓦斯浓 度是否超过瓦
面监控中心。监控
3.J单片机主控电路 Mcu选择MSP430系列的一款低功耗单片机。它是TI 公司近年来推出的一款高档16位单片机,片上外围功能 模块丰富,超低功耗,性价比高,开发方便简洁。片内已集 成10通道AD,3个并行端口,一个RS485串行通讯口[5], 被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、工业监测等领 域。如图3,全部已通过网络标号与外围电路连接,实现 对应的功能。
程图如图10所示。
dat鹅heet[EB,0L]-http:仇rwl甲.1rI.com,2007.
[6]同一功,张磊.矿灯式甲烷测报仪设计[J].煤矿安全,2008(9):
13一14.
[7]吴强,沈斌,刘新蕾.基于微功率无线通信的瓦斯报警矿灯研究 [J].煤矿机械。2008,29(12):139一140. (编辑启迪)
6结论
[4]宋祖峰,丁文红,陈利,等.武钢集团鄂钢1500一四辊平整机
设计实践[J].武钢技术,2008,46(6):46_49. (编辑黄荻) 作者简介:贺文健(1980_),男,工程师,主要从事冶金设备设计工作。 收稿日期:2013—04-07
通过测试和分析可以发现,常规的平整机液压压下
机械工程师2013年第5期l
Abs白删:Most
technology
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of the miner’s 1amp has the disadvantage of single fhnction and low intelligent level.The design of
ihtenigent胁iner’s lamp system with multifunction is introduced. Sensor technology and wireless communication