礦井提升機(jī)鋼絲繩張力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 楠 魏凱杰 王 波

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

在煤礦開采中礦井提升機(jī)擔(dān)負(fù)著重要角色，其主要承重部件是鋼絲繩，而鋼絲繩的承重能力是有限度的。由于人為或機(jī)械故障原因，可能出現(xiàn)二次裝煤或箕斗余煤等問題，這時(shí)鋼絲繩就會(huì)在超負(fù)載情況下工作，這對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響。為了避免此類事情發(fā)生，需對(duì)鋼絲繩的張力實(shí)時(shí)檢測，避免事故的發(fā)生。同時(shí)也要考慮系統(tǒng)的特殊性，不能破壞原有提升系統(tǒng)的正常工作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的張力傳感器通常測量固定不動(dòng)的物體，與被測物體串聯(lián)在一起，系統(tǒng)供電也比較方便。而對(duì)于提升機(jī)來說，在工作當(dāng)中鋼絲繩是運(yùn)轉(zhuǎn)的，傳統(tǒng)的傳感器并不適用。為了解決這個(gè)問題，系統(tǒng)采用旁壓式傳感器，此類傳感器安裝方便，直接將傳感器夾入被測鋼絲繩上，為了不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，傳感器的位置安裝在繩頭的末端，當(dāng)鋼絲繩上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，并不會(huì)觸碰到傳感器。

此時(shí)雖然解決了傳感器的安裝問題，但傳感器工作需要電源，還需解決傳感器的供電問題。由于礦井提升系統(tǒng)比較深，大都在200 米左右，對(duì)于一些深井開采系統(tǒng)來說有的甚至深達(dá)600 米，如果采用隨行電纜來進(jìn)行供電，造價(jià)比較昂貴，同時(shí)對(duì)于礦井開采這一特殊行業(yè)來說，系統(tǒng)安全性能要求特別高，設(shè)備必須有防爆功能，所以這種方法可行性不大。經(jīng)過周密的設(shè)計(jì)和思考，最終我們設(shè)計(jì)了一套無線傳輸設(shè)備，很好的解決了這一難題。

由于傳感器是低電壓設(shè)備，工作電壓為5V，功率只有幾瓦，設(shè)備耗電量并不大，最終我們采用蓄電池來供電，一塊普通鉛蓄電池可供系統(tǒng)工作兩周左右。

另外，傳感器順利的采集到數(shù)據(jù)后，不可能直接就地處理，它是隨提升系統(tǒng)上下運(yùn)行的，如果鋼絲繩張力出現(xiàn)問題，系統(tǒng)位置不固定，監(jiān)控人員可能不會(huì)及時(shí)察覺到問題，系統(tǒng)存在反應(yīng)滯后現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)的處理中心必須在離檢測人員比較近的在一個(gè)固定位置。這樣的話系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理就要分別處在兩個(gè)不同的位置，一個(gè)隨鋼絲繩上下運(yùn)動(dòng)，一個(gè)固定位置不動(dòng)。此時(shí)就需要解決兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。

此時(shí)，我們想到了無線通信。如今無線通信技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn)，常見的無線通信技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外技術(shù)、ZigBee、NFC 等。其中ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)在井下應(yīng)用最為廣泛，其功耗低、可靠性高、短延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)容量大、抗干擾能力強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)正好能滿足礦井下對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的要求，最重要的是Zigbee 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以任意的布置，這樣系統(tǒng)就有很強(qiáng)的靈活性。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，可構(gòu)建系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示：

圖1

2 無線模擬量采集發(fā)送裝置

該系統(tǒng)由無線模擬量采集模塊與無線接收模塊組成，主要涉及數(shù)據(jù)采集裝置、無線發(fā)送與接受裝置。無線模擬量采集模塊功能主要是將4～20ma 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，然后利用基于Zibgee 無線發(fā)送裝置發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

無線發(fā)送模塊支持功率調(diào)節(jié)，其最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)200 米，在一些較淺的礦井中一個(gè)模塊就可完成數(shù)據(jù)傳輸，而對(duì)于深井來說必須根據(jù)實(shí)際情況添加一些中間傳輸模塊，這時(shí)就體現(xiàn)出了Zibgee 技術(shù)的優(yōu)勢。

系統(tǒng)接口我們采用RS485，而對(duì)于傳輸協(xié)議，由于數(shù)據(jù)處理中心是基于PLC 的，所以傳輸協(xié)議我們采用Modbus。Modbus 協(xié)議有兩種傳輸方式：RTU 和ASCII。在ASCII 模式下，設(shè)備在Modbus 串行鏈路上通信時(shí)，用兩個(gè)ASCII 字符發(fā)送報(bào)文中的一個(gè)字節(jié)。在RTU 模式下，報(bào)文中每8 位字節(jié)分為兩個(gè)4 位十六進(jìn)制字符。在相同的波特率下，RTU 模式比ASCII 模式有更高的吞吐量，減少無線發(fā)送時(shí)間，因此本系統(tǒng)采用RTU 模式。

無線發(fā)送數(shù)據(jù)格式依次為：ADDR、FUNC、R-addr、NUM、CRC。

無線接受數(shù)據(jù)格式依次為：ADDR、FUNC、DATALTH、DATA、CRC。

其中ADDR 和FUNC 長度均為一字節(jié)校驗(yàn)位CRC 為兩字節(jié)，其他幾位根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸多少來決定字節(jié)的大小。

當(dāng)無線接收裝置接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，將該數(shù)據(jù)通過RS485 接口與本安PLC 連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，該接受裝置為透明傳輸設(shè)備。

3 曲線擬合與系統(tǒng)界面設(shè)置

PLC 得到數(shù)據(jù)是一個(gè)與張力值相關(guān)聯(lián)的電流值，此時(shí)還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能最終得到鋼絲繩的張力。兩者之間對(duì)的關(guān)系需要通過一些實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析，從而得出兩者的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊可以可知兩者之間是線性關(guān)聯(lián)的，此時(shí)可以通過曲線擬合方法來得到電流和拉力的線性關(guān)系，我們使用的最小二乘法。在實(shí)驗(yàn)階段我們得到了以下一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

兩者的關(guān)系用下式來表示：

φ(x)=a+bx

利用最小二乘法求出a、b，使得誤差值最小，誤差計(jì)算公式如下式：

由表格中的數(shù)據(jù)可得到：

由此計(jì)算得

此時(shí)就可得到電流與拉力的關(guān)系，即

F(I)=1.1044·I-2.6139

當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后，將電流值帶入上式，經(jīng)計(jì)算處理就可得到鋼絲繩的張力值。

系統(tǒng)的控制界面采用觸摸屏進(jìn)行控制，界面可事實(shí)顯示鋼絲繩的張力值和歷史曲線，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲時(shí)可通過控制界面進(jìn)行確認(rèn)，來解除警報(bào)。同時(shí)也可在界面上對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，操作人員可根據(jù)不同的煤密度來設(shè)置不同的報(bào)警值。

觸摸屏我們采用中國臺(tái)灣威綸公司生產(chǎn)的MT506，它可適配幾乎所有常見的PLC 類型，可方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。它通過485 總線與PLC 進(jìn)行通信，系統(tǒng)設(shè)有不同級(jí)別的管理權(quán)限，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)通信模塊，能夠?qū)崟r(shí)檢測提升機(jī)鋼絲繩的張力情況，該模塊基于Zigbee，具有功耗低，傳輸可靠的特點(diǎn)。本系統(tǒng)通過硬件裝置檢測到張力變化，再通過最小二乘法得到張力和載重的關(guān)系，經(jīng)過曲線擬合后，得到精確的箕斗內(nèi)的載重，并通過形象地顯示出來。當(dāng)系統(tǒng)載重超標(biāo)時(shí)，會(huì)給予報(bào)警，管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡早處理潛在的危險(xiǎn)事故，從而避免了礦井下因?yàn)榛愤^載而造成的安全生產(chǎn)事故。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了余煤是否卸盡的問題，杜絕了因余煤未卸盡而造成的安全事故，大大提高提升機(jī)安全運(yùn)行水平，保障了礦井下的財(cái)產(chǎn)安全和礦下工人的生命安全。同時(shí)減少安全事故的發(fā)生，提高了原煤的提升能力，增加了煤礦的生產(chǎn)產(chǎn)量，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。減少了提升機(jī)的檢修設(shè)備投入，同時(shí)減少了勞動(dòng)力支出，為煤礦節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。

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