斜井提升防掉道保護(hù)監(jiān)測(cè)與分析

王德堂, 劉德建, 蘆 偉, 董 博, 舒翰儒

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院, 運(yùn)輸與提升重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590)

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量也逐步增加，其開(kāi)采難度也不斷上升，對(duì)礦井的安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題日漸被提上日程[1-3]，引起了許多專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。Liu等[4]針對(duì)礦井瓦斯數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式實(shí)時(shí)圖形顯示與監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)對(duì)礦井的瓦斯量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；Deng等[5]基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)原理搭建了對(duì)礦井瓦斯的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證了礦井氣體環(huán)境的安全；Ma等[6]在Zigbee網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)煤礦巷道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于保證礦井的安全；Rai等[7]利用微處理器，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)地下礦井環(huán)境的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；Moridi等[8]以礦井環(huán)境為例，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線通信與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)對(duì)復(fù)雜的礦井環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些研究在某些方面對(duì)礦井起到了一定的安全監(jiān)測(cè)作用[9-10]，但沒(méi)有對(duì)斜井箕斗掉道的安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11-12]。

在礦產(chǎn)資源從井下運(yùn)往井面的過(guò)程當(dāng)中，由于箕斗的載重量很大甚至?xí)l(fā)生過(guò)載，這將會(huì)導(dǎo)致箕斗出現(xiàn)掉道的現(xiàn)象，產(chǎn)生重大安全事故，對(duì)工作人員和安全生產(chǎn)具有很大的威脅性，因此，如何對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與防護(hù)日漸成為礦井安全領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問(wèn)題之一[13]。

現(xiàn)針對(duì)斜井箕斗在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的掉道問(wèn)題，構(gòu)建無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用MPU9250芯片和動(dòng)力學(xué)解算原理對(duì)箕斗的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用邏輯分析儀捕獲的波形圖證明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)目尚行?，最后以山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，以保證對(duì)礦井安全運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，中國(guó)大多數(shù)金礦對(duì)斜井提升一般采用斜井串車(chē)提升、斜井箕斗提升與膠帶輸送機(jī)提升三種方式，而山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司采用的提升方式為斜井箕斗提升，提升能力較大，比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，設(shè)有裝載和卸載設(shè)備，根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定：年產(chǎn)量在300～600 kt以上，傾角在25°～35°的斜井中宜采用此類提升方式。但斜井箕斗礦車(chē)在工作的過(guò)程中容易發(fā)生掉道事故，即金礦石從井下工作面通過(guò)箕斗運(yùn)輸?shù)骄诘倪^(guò)程中，箕斗礦車(chē)出現(xiàn)的脫離軌道的現(xiàn)象，針對(duì)斜井箕斗宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和掉道現(xiàn)象以及中外對(duì)金礦安全監(jiān)測(cè)方面的不足，研究設(shè)計(jì)了無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)整體分為井口接收、斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊和井口發(fā)射模塊三部分。井口接收作為各類數(shù)據(jù)采集的接收裝置主要有XL66數(shù)據(jù)接收器組成，主要采集監(jiān)測(cè)斜井箕斗位置的到位傳感器的開(kāi)關(guān)量信息并負(fù)責(zé)將斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊的信息通過(guò)RS485A、RS485B通信接口和通信天線由FCCW通信電纜將傳遞到上位機(jī)，為了滿足一定的防爆與通信穩(wěn)定性要求，將井口接收XL66封裝到由Q235鋼板焊接而成的殼體當(dāng)中。斜井箕斗數(shù)據(jù)采集模塊在模擬量采集裝置XL604的作用下，將監(jiān)測(cè)斜井箕斗與軌道之間接觸距離的光電傳感器和感應(yīng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射天線傳輸?shù)骄诎l(fā)射箱中，載荷傳感器通過(guò)螺絲緊定裝置安裝于牽引配重塊與箕斗的鋼絲繩上，通過(guò)通信電纜連接到XL604采集裝置中。姿態(tài)傳感器封裝在XL604采集模塊中，利用JY61PM芯片與串口連接模塊通信，將測(cè)量到的箕斗小車(chē)的加速度與傾角信息通過(guò)TWS通信線傳遞到XL604中，由XL604將數(shù)據(jù)信息通過(guò)通信電纜與地面上位機(jī)進(jìn)行通信，在接收到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后，上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，當(dāng)發(fā)生箕斗超載、未到位和處于掉道臨界狀態(tài)時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生急劇變化并通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行報(bào)警，通知檢查或負(fù)責(zé)人員進(jìn)行處理，及時(shí)排除隱患。

2 系統(tǒng)布局與通信分析

2.1 硬件系統(tǒng)

在礦山斜井當(dāng)中，由于受到多種不確定環(huán)境因素的影響，為了使信號(hào)方便接收并傳給上位機(jī)，將接收系統(tǒng)安裝于箕斗放礦附近，布置一組XL66無(wú)線轉(zhuǎn)換器與一組供電電源，可以構(gòu)建合適的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足不同的接收需求。發(fā)射功率為100 mW，接收靈敏度可達(dá)-97 dBm，采用GFSK的調(diào)制方式，傳輸速率可達(dá)250 kbps，采用星型或MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，全信號(hào)15 KVESD保護(hù)。

通過(guò)加裝ASC601直流信號(hào)隔離配電器，可以將其產(chǎn)生的信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)隔離傳送到控制室，采用高效的磁電隔離技術(shù)，輸入和輸出電源之間相互隔離，具有高精度，高線性度和低溫漂等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間可以控制在10 ms以內(nèi)。

兩路載荷傳感器分別加裝在礦車(chē)箕斗的鋼絲繩和配重小車(chē)的鋼絲繩上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在提升礦石的過(guò)程中拉力的變化情況，防止出現(xiàn)鋼絲繩拉斷的情況，其電路連接如圖2所示。

利用加裝的WT901C485姿態(tài)角度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)礦車(chē)箕斗擺動(dòng)角度與加速度的大小的采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在運(yùn)行軌道上的信息。此傳感器集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。加速度計(jì)算方法為

jX=[(JX，H=8)|JX，L]/(32 768×16g)

(1)

jY=[(JY，H=8)|JY，L]/(32 768×16g)

(2)

jZ=[(JZ，H=8)|JZ，L]/(32 768×16g)

(3)

Sum=0x55+0x51+JX，H+JX，L+JY，H+

JY，L+JZ，H+JZ，L

(4)

式中：g為重力加速度；JX，L為X軸方向低字節(jié)；JX，H為X方向高字節(jié)；JY，L為Y軸方向低字節(jié)；JY，H為Y軸方向高字節(jié)；JZ，L為Z軸方向低字節(jié)；JZ，H為Z軸方向高字節(jié)。

采用MPU9250芯片，該芯片集成了VCC模塊電源(3.3 V或5 V輸入)，RX串行數(shù)據(jù)輸入(TTL 電平)，TX串行數(shù)據(jù)輸出(TTL 電平)，SCLI2C 時(shí)鐘線，SDAI2C 數(shù)據(jù)線，采用4層PC板工藝，保留擴(kuò)展端口來(lái)分別配置模擬輸入，數(shù)字輸入，數(shù)字輸出，PWM 輸出等功能，具有一定的靜電防護(hù)功能，通信電路如圖3所示。

為便于獲取斜井箕斗采集的數(shù)據(jù)，在井口的位置安裝井口發(fā)射系統(tǒng)，主要用于把斜井箕斗采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收并發(fā)射到XL604模塊中，由XL604連接的FCCW通信電纜傳到上位機(jī)中。在對(duì)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用一組XL60智能測(cè)控模塊和一組XL66無(wú)線轉(zhuǎn)換器，內(nèi)設(shè)4～20 mA輸入，PT100，端口等，選用16 位的A/D轉(zhuǎn)換元件，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.006 5% F.S，可以采用433 MHz、GPRS、WIFI、2.4G等多種通信方式，利用天線傳輸信息，無(wú)線電路如圖4所示。

圖2 載荷傳感器與電壓跟隨器電路連接圖

圖3 通信電路圖

圖4 無(wú)線電路圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸通信

首先，IIC主機(jī)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)給JY-901模塊，然后把模板IIC的地址IICAddr寫(xiě)入寄存器地址RegAddr，進(jìn)而按照次序先寫(xiě)入第一個(gè)數(shù)據(jù)的低字節(jié)，第一個(gè)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，若還有其他數(shù)據(jù)，繼續(xù)以先低字節(jié)后高字節(jié)的次序?qū)懭?，?shù)據(jù)寫(xiě)入完畢后，主機(jī)向模塊發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，讓出總線。如果高字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)入JY-901模塊之后，模塊內(nèi)部的寄存器將更新并執(zhí)行相應(yīng)的命令，同時(shí)模塊內(nèi)部的寄存器地址自動(dòng)加1，地址指針指向下一個(gè)需要寫(xiě)入的寄存器地址，這樣可以實(shí)現(xiàn)寫(xiě)入。

邏輯分析儀捕獲的波形如圖5所示。

當(dāng)寫(xiě)入寄存器地址RegAddr后，主機(jī)再向模塊發(fā)送一個(gè)讀信號(hào)(IICAddr=1)|1，如果是默認(rèn)地址0x51，那么發(fā)送的數(shù)據(jù)為0xa1，此后模塊將按照先低字節(jié)，后高字節(jié)的順序輸出數(shù)據(jù)，主機(jī)需在收到每一個(gè)字節(jié)后，拉低SDA總線，向模塊發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，待接收完指定數(shù)量的數(shù)據(jù)以后，主機(jī)不再向模塊回饋應(yīng)答信號(hào)，此后模塊將不再輸出數(shù)據(jù)，主機(jī)向模塊再發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，以結(jié)束本次操作。邏輯波形如圖6所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

3.1 實(shí)測(cè)安裝與配置

組態(tài)王軟件通過(guò)Microsoft Windows 98/NT中文平臺(tái)和TOUCHMAK運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行，系統(tǒng)應(yīng)用北京亞控科技有限公司開(kāi)發(fā)的組態(tài)王上位機(jī)軟件，組態(tài)王工控軟件具有自適應(yīng)好、操作方便、開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較短和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。此軟件利用MODBUS RTU通信協(xié)議，采用RS485通信接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連接，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的礦車(chē)箕斗的掉道情況、運(yùn)行姿態(tài)、到位情況以及鋼絲繩的拉力狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析

斜井提升防掉道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于通過(guò)安裝于箕斗礦車(chē)車(chē)身上的感應(yīng)傳感器、光電傳感器以及載荷傳感器反饋的數(shù)據(jù)信息來(lái)判斷箕斗是否掉道，通過(guò)姿態(tài)傳感器傳回來(lái)的角度和加速度信息判斷箕斗礦車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)感應(yīng)與光電傳感器設(shè)置開(kāi)關(guān)量和報(bào)警提示，利用到位傳感器判斷礦車(chē)的到位情況，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)運(yùn)行正常，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

0-SCL和1-SDA分別代表時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線

0-SCL和1-SDA分別代表時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表1 姿態(tài)傳感器角度監(jiān)測(cè)值

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，載荷傳感器讀取的箕斗鋼絲繩上的拉力值在98～101 kN，誤差范圍在3 kN之內(nèi)，配重車(chē)的拉力在48～52 kN，誤差在4 kN之內(nèi)，可以滿足其監(jiān)測(cè)要求，安裝于車(chē)身上的采集裝置測(cè)得的電池電壓為11.30～12 V，姿態(tài)傳感器初始值為X軸方向的角度值為15.61°，Y軸方向?yàn)?1.54°，Z軸方向?yàn)?5.23°，誤差范圍在5°內(nèi)，X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的加速度誤差基本保持穩(wěn)定,由于系統(tǒng)受到礦井環(huán)境因素的影響，其誤差在正常范圍內(nèi)，可以保證對(duì)斜井掉道的正常監(jiān)測(cè)。

表2 姿態(tài)傳感器加速度監(jiān)測(cè)值

表3 載荷傳感器與電池電壓監(jiān)測(cè)值

本文所設(shè)計(jì)的斜井掉道監(jiān)測(cè)方法與國(guó)內(nèi)外其他研究方法相比，建立了邏輯波形圖驗(yàn)證通信協(xié)議的穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，可靠性高，斜井箕斗的掉道問(wèn)題得到了較好的解決。

4 結(jié)論

針對(duì)斜井箕斗的掉道現(xiàn)象，搭建了無(wú)線信息傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)研究與分析，得到了以下結(jié)論。

(1)在通過(guò)井下測(cè)試后，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩的拉力載荷監(jiān)測(cè)、礦井箕斗的傾角及加速度的測(cè)量等功能。

(2)利用無(wú)線采集模塊搭建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集的信息準(zhǔn)確可靠，信息傳輸接口安全穩(wěn)定，具有運(yùn)行可靠、操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可以起到對(duì)礦車(chē)箕斗掉道的良好的監(jiān)測(cè)作用。

(3)通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行井下實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性與可行性。