多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙 偉 張 永

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司，山東 棗莊 277500）

1 引言

在多繩摩擦式提升機(jī)的作業(yè)過程中，常會(huì)出現(xiàn)配重不合理、超載、平衡缸壓縮值較大以及張力不均等故障。其中鋼絲繩張力不平衡、起吊過載是造成鋼絲繩斷裂和罐籠墜落的主要原因，不僅對(duì)井下工作人員產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，而且嚴(yán)重制約煤礦企業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展[1-2]。因此提升機(jī)鋼絲繩張力以及荷載監(jiān)測(cè)，是解決繩脫槽、滑繩、斷繩等重大事故的關(guān)鍵。通過提升機(jī)鋼絲繩狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)ε渲夭痪?、提升過載、張力不均等故障及時(shí)發(fā)出警報(bào)，能夠有效避免鋼絲繩斷裂和罐體事故的發(fā)生[3-4]。

棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)公司井下安裝4 部斜巷提升機(jī)，集中二級(jí)軌道選用的是上海冶金礦山機(jī)械廠的 JKMD-3.25×4（Z）落地多繩摩擦式提升機(jī)，提升高度為482. 5 m，最大提升速度7. 15 m/s，最大提升載荷16 t。井筒內(nèi)提升容器為一對(duì)1 t 兩層四車鋼罐道罐籠，滾筒寬度為2 m，滾筒直徑Φ2.5 m。安裝南陽(yáng)防爆集團(tuán)生產(chǎn)的YBBP450M-10 型電機(jī)，電機(jī)功率280 kW。電控系統(tǒng)采用天津民益電氣有限公司生產(chǎn)的TKM-B/D-D2-6280 型電控系統(tǒng)，一次提升9 輛礦車。多繩摩擦式提升機(jī)在工作過程中，由于各鋼絲繩間受力不平衡，導(dǎo)致各鋼絲繩和摩擦襯墊的磨損不均勻，從而影響鋼絲繩和摩擦襯墊的使用壽命。研究新安煤礦提升機(jī)鋼絲繩的張力和過載監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的，是使用科學(xué)可靠的檢測(cè)方法來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每條鋼絲繩的張力，能夠有效防止事故的發(fā)生[5]。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

（1）系統(tǒng)原理及技術(shù)要點(diǎn)

國(guó)內(nèi)煤礦多繩摩擦式提升機(jī)大多采用液壓式張力自動(dòng)平衡裝置。由于液壓式張力自動(dòng)平衡裝置采用的是半調(diào)壓的工作方式，即四根鋼絲繩工作時(shí)只有一側(cè)開啟連通油缸，這側(cè)鋼絲繩張力是相等的，另一側(cè)平衡裝置失去效用，四根鋼絲繩就有明顯張力差。在多繩提升鋼絲繩張力自動(dòng)平衡懸掛裝置的每個(gè)滑塊和活塞桿之間安裝張力壓塊傳感器，每個(gè)提升容器上安裝4 個(gè)張力壓塊傳感器，監(jiān)測(cè)每根鋼絲繩張力和總載荷，并能在線監(jiān)測(cè)張力差。張力壓塊傳感器安裝在上下運(yùn)行的罐籠和箕斗上，在提升容器上安裝本安型采集發(fā)射箱及無(wú)線發(fā)射模塊，采用充電電池供電，將張力數(shù)據(jù)發(fā)射到與地面聯(lián)接的無(wú)線接收模塊，后經(jīng)RS485/CAN 通信傳輸至車房地面數(shù)據(jù)采集箱。LCD 顯示屏實(shí)時(shí)處理通過WiFi通信傳輸過來的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)繪制張力變化曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)張力數(shù)據(jù)并根據(jù)張力數(shù)據(jù)及平位信號(hào)（罐籠上、下平位到位信號(hào)）計(jì)算和顯示罐籠的載重量和鋼絲繩張力差，提升前監(jiān)測(cè)超載。若超載切斷提升安全回路使不能提升，其它故障發(fā)生時(shí)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，將報(bào)警數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫(kù)以備查詢。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)鋼絲繩張力及超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

（2）設(shè)計(jì)思路

① 提升機(jī)鋼絲繩張力傳感器的研制

對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行深入分析，針對(duì)提升機(jī)鋼絲繩的安裝方案是：在鋼絲繩自動(dòng)張力裝置的活塞桿底部安裝張力差傳感器。共提出四種安裝提升鋼絲繩張力傳感器方案：壓力張力差傳感器安裝在鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置活塞桿的底部；總張力通過在天輪的軸承座下安裝的軸承座張力傳感器測(cè)量得到；旁壓傳感器連接繩環(huán)附近的鋼絲繩上；井上井下數(shù)據(jù)通訊方式以及數(shù)據(jù)可靠性保障措施設(shè)計(jì)。

② 數(shù)據(jù)通信研究及通信抗干擾設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸特性，提升設(shè)備與井上通訊方式采用安全可靠的無(wú)線傳輸，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)過程中依據(jù)分時(shí)通信原理；井口與控制室中上位機(jī)采用RS485 通訊協(xié)議；由于井下機(jī)電設(shè)備較多，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用降低電磁干擾措施，保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠。

③ 提升機(jī)閉鎖功能設(shè)置

當(dāng)負(fù)載超過最大允許負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并通過輸出繼電器節(jié)點(diǎn)斷開起吊安全電路以防止起吊。其中鋼絲繩自動(dòng)平衡懸掛裝置處安裝張力塊傳感器，通過滑塊和活塞桿之間、活塞桿與罐籠之間產(chǎn)生的壓差，將張力差和總載荷等數(shù)據(jù)通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)視。在上下運(yùn)行的罐籠和鏟斗上安裝張力塊傳感器，本安型采集和傳輸箱以及無(wú)線傳輸模塊安裝在提升容器上，電源由可充電電池供電，并且井下張力數(shù)據(jù)通過無(wú)線傳輸?shù)降孛娼邮漳K，經(jīng)過RS485 和CAN 通訊模塊，傳輸?shù)杰噹?kù)終端接收箱。LCD顯示屏處理通過WiFi通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，由LCD 顯示屏實(shí)時(shí)顯示。主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)繪制張力變化曲線，根據(jù)張力數(shù)據(jù)和液位信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控張力數(shù)據(jù)，計(jì)算并顯示罐籠的承載能力和鋼絲繩張力之間的差異，提升之前監(jiān)控過載情況。如果監(jiān)測(cè)到過載會(huì)切斷安全電路以防止起吊，在發(fā)生其他故障時(shí)將發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)信號(hào)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)查詢報(bào)警信號(hào)。

為保證數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，采用分時(shí)通信。罐籠位置監(jiān)測(cè)裝置將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)分析得到罐籠運(yùn)行位置，根據(jù)罐籠的位置先后分別驅(qū)動(dòng)罐籠位置對(duì)應(yīng)的無(wú)線接收模塊去和離該接收模塊最近的采集發(fā)射裝置進(jìn)行通信。

此外，采集與傳輸模塊采用響應(yīng)式通信方法。無(wú)線接收模塊發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)的指令給采集發(fā)送模塊，采集發(fā)送模塊發(fā)送傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算A / D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，并發(fā)送設(shè)備編號(hào)，A / D 轉(zhuǎn)換結(jié)果以及設(shè)備編號(hào)會(huì)同時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收到相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

① 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理顯示軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用內(nèi)置鐵電存儲(chǔ)器和SD 卡方式，采用文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為Excel 打開的CSV 文件。系統(tǒng)定時(shí)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)卡容量，自動(dòng)刪除舊文件，保持卡內(nèi)空間的可靠。故障及報(bào)警記錄是單獨(dú)存儲(chǔ)，只存儲(chǔ)最近的100 條數(shù)據(jù)，并將其顯示出來。程序設(shè)計(jì)上包含故障記錄的編碼、排序、調(diào)取、內(nèi)容顯示部分。

② 局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能

根據(jù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)網(wǎng)址，將軟件控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)界面與網(wǎng)站共享，通過瀏覽不同的網(wǎng)頁(yè)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)功能的監(jiān)測(cè)，解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地域性問題，能夠在緊急情況下及時(shí)作出反應(yīng)。

全硬件方式的提升機(jī)鋼絲繩狀態(tài)監(jiān)控裝置，旨在解決提升機(jī)起重過程中的安全隱患，通過特殊設(shè)計(jì)的張力壓力傳感器和采集發(fā)射盒（AVR 系列單片機(jī)、TLC25431 無(wú)線信號(hào)接收盒）、無(wú)線信號(hào)接收箱（RS485 /CAN 通訊模塊）和自行開發(fā)的監(jiān)控分析軟件進(jìn)行分析，分析所收集的數(shù)據(jù)并處理，實(shí)時(shí)顯示鋼絲繩和提升容器張力情況及負(fù)荷量，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過額定數(shù)值，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)以及曲線繪制功能，能夠通過張力曲線變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并且對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)供以后查詢。

3 結(jié)語(yǔ)

礦用提升機(jī)在工作期間必須要保證其可靠性，基于全硬件方式的提升機(jī)鋼絲繩張力和負(fù)載在線監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控和報(bào)警張力不平衡、起吊過載、過載差值、卸載不凈和其他故障，在提升機(jī)每次運(yùn)行前，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)驗(yàn)證荷載量和荷載差，當(dāng)檢測(cè)不合格時(shí)無(wú)法進(jìn)行作業(yè)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩張力及載荷變化情況，并在出現(xiàn)問題之前進(jìn)行預(yù)防，從而確保了提升機(jī)的安全運(yùn)行，在煤炭行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。