單繩纏繞提升機(jī)金屬井架變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

張國(guó)軍 張紅光 蘇海濤

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500； 2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)南煤炭科技研究院分公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)井架作為礦用承載提升系統(tǒng)的關(guān)鍵地上建筑物，所承載作用不容小覷[1-3]。鋼結(jié)構(gòu)件變形在井架故障過程中扮演著重要角色，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是十分必要的[4-6]。

本文對(duì)南屯煤礦單繩纏繞提升機(jī)鋼結(jié)構(gòu)井架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，對(duì)煤礦井架鋼結(jié)構(gòu)變形展開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄分析，掌握井架結(jié)構(gòu)在提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，分析井架主體結(jié)構(gòu)完好、可靠性，從而有針對(duì)性地制訂鋼結(jié)構(gòu)井架的維保措施，在保障提升安全運(yùn)行方面扮演重要角色。

2 系統(tǒng)工作原理

南屯煤礦提升機(jī)鋼結(jié)構(gòu)井架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由應(yīng)變檢測(cè)裝置、采集發(fā)射裝置、上位機(jī)、報(bào)警裝置等組成。應(yīng)變?cè)O(shè)備對(duì)鋼結(jié)構(gòu)井架進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集并將采集數(shù)據(jù)以無線電波方式上傳給無線采集發(fā)射裝置。無線接收發(fā)射裝置接收由無線采集發(fā)射裝置上傳的信號(hào)，上傳給上位機(jī)，上位機(jī)組態(tài)軟件通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，在組態(tài)軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、畫面顯示及報(bào)警顯示，當(dāng)應(yīng)變值超限時(shí)，上位機(jī)識(shí)別報(bào)警，報(bào)警裝置感應(yīng)，同時(shí)提升電控系統(tǒng)做出反應(yīng)，保障系統(tǒng)安全。系統(tǒng)工作原理圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)彈性元件在力的作用下發(fā)生彈性形變時(shí)，使得與之相連的電阻應(yīng)變片也發(fā)生相應(yīng)的形變，從而引起應(yīng)變敏感元件電阻值的變化。此時(shí)通過測(cè)量電壓的變化間接地反映被測(cè)物體所受壓力的變化，電阻應(yīng)變傳感器就是通過應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。為了防止微小變化導(dǎo)致的測(cè)量精度不夠、反應(yīng)不靈敏等問題的產(chǎn)生，對(duì)其使用惠斯通橋式電路，使用組合的測(cè)定方式能夠?qū)_擊現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

井架鋼結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)由應(yīng)變片完成。將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)物表面，當(dāng)被測(cè)物受外部載荷作用發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，其中的金屬箔柵同時(shí)發(fā)生機(jī)械性形變從而引起電阻值發(fā)生變化。應(yīng)變片監(jiān)測(cè)方法，就是利用電阻值的變化測(cè)定應(yīng)變數(shù)據(jù)及其變化。

應(yīng)變片中電阻變化率與應(yīng)變對(duì)應(yīng)公式：

式中：R 為應(yīng)變片的原電阻值，Ω；Δ R 為伸長(zhǎng)或壓縮所引起的電阻變化，Ω；K 為比例常數(shù)（應(yīng)變片常數(shù)）；ε 為應(yīng)變。

傳感器是井架數(shù)據(jù)采集的先頭兵，能夠及時(shí)反映井架的狀態(tài)情況。傳感器作為數(shù)據(jù)采集的電子設(shè)備，易受受測(cè)結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、磁場(chǎng)、電源設(shè)備等方面的干擾，傳感器的安裝位置決定著數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、可靠性。所以，傳感器安裝位置設(shè)計(jì)，需要多加考慮和重視。

圖2 應(yīng)變傳感器安裝示意圖

根據(jù)上述計(jì)算分析，將應(yīng)變傳感器安裝位置確定在對(duì)應(yīng)部位。如圖2 所示，應(yīng)變片安裝井架所對(duì)應(yīng)的立柱、斜架、天輪平臺(tái)。安裝過程中，應(yīng)變片的粘貼應(yīng)注意，提前用紗布、酒精等進(jìn)行除銹、潔凈表面，防止粘貼過程中有氣泡和傾斜；注意接線處應(yīng)固定良好且做絕緣處理，防止扯斷或漏電；導(dǎo)線應(yīng)貼合固定于井架上；變送器和應(yīng)變片近距離固定安裝于井架上。

3 系統(tǒng)硬件

面對(duì)提升系統(tǒng)的復(fù)雜工作環(huán)境，為了提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和信號(hào)的傳輸效率，在傳感器的選擇設(shè)計(jì)上應(yīng)實(shí)現(xiàn)其小型化和高集成的特點(diǎn)，對(duì)信息的采集、處理及發(fā)送過程采用模塊化集成設(shè)計(jì)。應(yīng)變傳感器從使用環(huán)境、選用原則上進(jìn)行考慮。

井架用應(yīng)變片選用金屬材質(zhì)的全橋應(yīng)變片，散熱好，可以最大限度地消除因電阻發(fā)熱導(dǎo)致的噪聲，應(yīng)變電阻為250 Ω，應(yīng)變片匹配RC-A3N 系列壓力變送器，放大電路板主要配套于微小型壓力變送器殼體（直桿型/棒狀/L 型）。該電路板采用新型設(shè)計(jì)思路，加強(qiáng)線性優(yōu)化，抗（變頻器）干擾等處理，使得變送器在使用過程中穩(wěn)定性大大提高。

數(shù)據(jù)采集收發(fā)裝置采用XL80 智能轉(zhuǎn)換裝置，用于傳感器節(jié)點(diǎn)通信的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)通訊管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和處理、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，構(gòu)建穩(wěn)定可靠、安全的智能傳感網(wǎng)絡(luò)。

建立參數(shù)越限報(bào)警發(fā)布機(jī)制，實(shí)現(xiàn)礦井井下與井上數(shù)據(jù)的移動(dòng)互聯(lián)。手機(jī)app 客戶端通過云端服務(wù)器與監(jiān)控室的操作主機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，將井架設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)上傳到手機(jī)客戶端，只要手機(jī)與監(jiān)控主機(jī)同時(shí)聯(lián)網(wǎng)就可隨時(shí)隨地查看設(shè)備的運(yùn)行情況。當(dāng)某些參數(shù)超過了設(shè)定值時(shí)，提供報(bào)警推送功能，提示設(shè)備運(yùn)行的故障點(diǎn)，并且當(dāng)輸入正確的用戶名和密碼時(shí)，可控制提升機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停，界面友好，操作簡(jiǎn)單、方便。

為實(shí)現(xiàn)前端傳感系統(tǒng)信號(hào)采集處理傳輸?shù)母咝?，采用無線數(shù)據(jù)采集終端RTU。無線采集發(fā)射裝置原理圖如圖3。

圖3 采集發(fā)射裝置原理圖

4 數(shù)據(jù)分析控制系統(tǒng)軟件

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)分析控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)使用。軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)基本滿足功能性、時(shí)效性、可靠性、可拓性、簡(jiǎn)易操作等原則要求。為了防止軟硬件不匹配影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，采用信利智能采集發(fā)射裝置相匹配的信利軟件XL.View。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)通信分站與主機(jī)、路由器、無線AP 等設(shè)備進(jìn)行通訊測(cè)試。每個(gè)分站設(shè)立4 個(gè)RS485 接口，以主從式、半雙工傳輸方式與設(shè)備通訊。為每個(gè)數(shù)字綜合保護(hù)裝置進(jìn)行唯一編碼，通過485 接口將本身的信息傳給通訊分站，分站通過編碼確定各個(gè)保護(hù)裝置傳遞來的信息進(jìn)行處理并發(fā)出指令。通信分站、監(jiān)控主機(jī)與路由器進(jìn)行通訊測(cè)試。通信分站設(shè)立4路網(wǎng)絡(luò)接口，以TCP/IP 傳輸方式進(jìn)行通訊。分站將設(shè)置相同IP 地址，均通過主機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

將井架鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變片變送器通訊接口接入4 個(gè)通訊模塊集成打包, 然后監(jiān)控主機(jī)用無線通訊與路由器通訊，路由器通過網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行通訊。在井架立柱根部、井架腰部以及天輪平臺(tái)靠近軸承座等位置安裝6 枚應(yīng)變片及相應(yīng)的變送器，地面遮雨沿處安裝變電箱。通過無線設(shè)備將數(shù)據(jù)等傳到地面監(jiān)控主機(jī)。

對(duì)金屬井架安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)、設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷虛擬系統(tǒng)、井架狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)越限預(yù)警手機(jī)app 系統(tǒng)等進(jìn)行安裝調(diào)試。

本系統(tǒng)采用MYSQL 服務(wù)器提供原始井下數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，通過編寫接口協(xié)議文檔，以JDBC 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)庫相連。它可以為多種數(shù)據(jù)庫提供系統(tǒng)訪問，并通過Java 語言編程構(gòu)建更高級(jí)的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)理論的正確性和可行性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試地點(diǎn)選為南屯煤礦副井井架，通過對(duì)井架桁架、立柱、斜柱等部分應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，確定該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用性能。

圖4 測(cè)試監(jiān)測(cè)界面

當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間有信號(hào)傳輸時(shí)，組態(tài)畫面中顯示應(yīng)變信號(hào)數(shù)值，如圖4。在提升機(jī)運(yùn)行的過程中，應(yīng)變信號(hào)會(huì)發(fā)生不規(guī)律的變化，其中在停關(guān)機(jī)的過程中尤為明顯，此時(shí)信號(hào)的傳輸正常。若組態(tài)畫面中加速度數(shù)值顯示“？？？”時(shí)，則表示信號(hào)中斷，設(shè)備中間的信號(hào)傳輸不正常。通過現(xiàn)場(chǎng)的安裝測(cè)試，監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r(shí)更新數(shù)據(jù)，表明信號(hào)傳輸正常。

該項(xiàng)目的實(shí)施完成大大提高煤礦設(shè)備管理現(xiàn)代化水平，引入安全高效快捷的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警處理系統(tǒng)，用極短時(shí)間做出準(zhǔn)確判斷，找到故障點(diǎn)并采取針對(duì)性處理措施，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)，經(jīng)過系統(tǒng)化的測(cè)試驗(yàn)證了井架實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性與實(shí)用性。

6 結(jié) 語

通過對(duì)南屯煤礦副井井架鋼結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并分析其測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證煤礦井架鋼結(jié)構(gòu)變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在井架安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可靠性及實(shí)用性。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行和理論分析，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)井架使用狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄，為礦井維保人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持。