煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

徐巧格，謝 娜

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

隨著我國煤礦逐漸向深部開采，不僅加大了礦井的提升負(fù)擔(dān)，而且提高了提升系統(tǒng)的安全要求。由于煤礦提升機主要任務(wù)是運輸物資和人員，需要頻繁啟停提升機，使得煤礦提升機具有勻速、加速、減速的周期性。但是由于礦井所處的地理環(huán)境較復(fù)雜，產(chǎn)出的煤的容重、黏滯性變化較大，會造成罐籠卸載滯煤現(xiàn)象，當(dāng)未發(fā)現(xiàn)進行“二次裝載”，會造成鋼絲繩斷裂和墜罐的發(fā)生。因此，需要對煤礦提升機載荷進行在線監(jiān)測，并進行控制和記錄。隨著我國數(shù)字化技術(shù)和傳感信息技術(shù)的快速發(fā)展，鋼絲繩張力監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)趨于自動化和功能化。國內(nèi)外學(xué)者對其進行了諸多研究，文獻[1-2]利用顆粒阻尼減振傳感器，研究了鋼絲繩張力及載荷的動態(tài)監(jiān)測，通過阻尼耗能，有效耗散了鋼絲繩耦合振動引起的載荷沖擊，濾除了鋼絲繩張力信號中的噪聲，更精確地實現(xiàn)了對鋼絲繩張力及提升載荷的測量；文獻[3]研究了主井提升機載荷動態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對主井提升系統(tǒng)裝載量超限、張力不平衡、卸載余煤量超限等故障進行診斷。鑒于此，本文研究了煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，研究保障了煤礦提升機的安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)功能要求及需解決問題分析

(1)功能要求[4]。在進行煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計時，需要充分考慮煤礦安全的要求。系統(tǒng)應(yīng)具有的功能要求為：①能夠?qū)︿摻z繩張力進行實時監(jiān)測。能夠任意時刻讀取鋼絲繩張力值，輸出具體的圖像和具體數(shù)據(jù)，并可以實時儲存采集的數(shù)據(jù)，便于計算實時的提升機載荷；當(dāng)發(fā)生故障時，可以及時發(fā)出警報，停止煤礦提升機的運行，確保提升機的安全運行。②能夠?qū)μ嵘龣C的載荷和鋼絲繩張力差進行實時監(jiān)測。根據(jù)測得的鋼絲繩張力，計算出總載荷量，然后得出提升機罐籠的靜載荷，從而實現(xiàn)提升機載荷的實時監(jiān)測；需要對提升機鋼絲繩張力差進行計算，得出鋼絲繩的張力平衡情況。

(2)需解決問題[5-6]。在滿足系統(tǒng)功能的前提下，應(yīng)該還需解決的問題：①由于礦井井筒環(huán)境較為復(fù)雜，會對無線信號傳輸產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)增加泄漏電纜，確保無線信號的準(zhǔn)確性和實時性；②根據(jù)煤礦安全要求，系統(tǒng)硬件應(yīng)能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，在設(shè)計系統(tǒng)電路時，應(yīng)考慮電磁抗干擾設(shè)計；③由于提升機罐籠在卸載和轉(zhuǎn)載過程中會產(chǎn)生不規(guī)律抖動，致使張力平衡裝置的油壓產(chǎn)生不規(guī)律變化，當(dāng)進行下位機設(shè)計時，需要考慮這些數(shù)據(jù)波動，避免誤報警或誤判斷。

2 提升機載荷監(jiān)測方法分析

煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計主要是對傳感器的選型和安裝位置的選擇，傳感器的承載能力>10倍的實際載荷。在考慮鋼絲繩強度和鋼絲繩破壞基礎(chǔ)上，將位移傳感器安裝在平衡油缸上來監(jiān)測油缸的位移，從而監(jiān)測鋼絲繩的張力情況。在煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，將油壓傳感器串聯(lián)安裝在液壓自動平衡裝置，用于控制油壓傳感器的通斷與控制自動平衡裝置，便于傳感器的更換與維修。油壓傳感器現(xiàn)場安裝如圖1所示。

圖1 油壓傳感器現(xiàn)場安裝示意Fig.1 On-site installation of oil pressure sensor

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在油缸頂部和平衡油缸法蘭上安裝位移傳感器，在煤礦提升機平衡油缸旁邊安裝油壓傳感器，將采集的位移和油壓電壓信號通過數(shù)據(jù)采集裝置與無線模塊實現(xiàn)處理和發(fā)送，采用RS485/232轉(zhuǎn)換器把信號傳輸至上位機。上位機通過Lab View監(jiān)測程序，對接收到的信號進行分析和處理，當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)過載或者發(fā)生故障時，將發(fā)出聲光報警，然后通過繼電器切斷煤礦提升機安全回路，達到停車的目的。煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7-8]如圖2所示。

圖2 煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Dynamic real-time monitoring system structure of coal mine hoist load

(1)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要由終端負(fù)載、泄漏電纜組成。泄漏電纜(無線數(shù)據(jù)接收天線)沿著井壁鋪設(shè)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮昭b置，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器傳輸至上位機，對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

(2)位移和油壓數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置。將位移和油壓數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置安裝在2個罐籠頂端，發(fā)射裝置主要由防爆外殼、供電電池、無線通信模塊、采集電路板組成。

(3)工控機。該設(shè)備是系統(tǒng)故障診斷和數(shù)據(jù)處理的中樞，能夠完成數(shù)據(jù)的分析、串行接收、記錄、報警、顯示。

(4)罐籠行程監(jiān)測裝置。主要由數(shù)據(jù)處理電路板、繼電器、接近開關(guān)、霍爾傳感器組成，利用霍爾傳感器對滾筒轉(zhuǎn)數(shù)進行監(jiān)測，計算出罐籠實時的行程。

4 系統(tǒng)通信方案設(shè)計

系統(tǒng)通信方案的設(shè)計主要包括上位機通信、數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置與泄漏系統(tǒng)通信。

(1)上位機通信。上位機需要完成和基地臺、井口大屏幕顯示裝置、罐籠行程監(jiān)測裝置的通信，煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的上位機主要是工控機，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)?shù)據(jù)進行記錄、顯示、計算和處理[9-10]。本文采用RS485和RS232串行通信方式來完成其他設(shè)備與上位機間的數(shù)據(jù)傳輸。上位機與數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置通信流程如圖3所示。

圖3 上位機與數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置通信流程Fig.3 Communication process between the host computer and the data acquisition and launch device

(2)數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置與泄漏系統(tǒng)通信。數(shù)據(jù)采集裝置主要采用無線通信，并安裝在罐籠上。由于無線信號在數(shù)據(jù)傳輸中距離過短，需要采用泄漏系統(tǒng)進行通信，信號經(jīng)過泄漏電纜傳輸?shù)浇邮昭b置。該方式具有準(zhǔn)確度高、效率高等特點。本系統(tǒng)無線通信波特率選取2 400 bit/s。泄漏同軸電纜結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 泄漏同軸電纜結(jié)構(gòu)Fig.4 Leaky coaxial cable structure

5 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

5.1 數(shù)據(jù)采集發(fā)射與接收裝置

煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)下位機硬件主要由上位機、RS485/232轉(zhuǎn)換器串行通信擴展、罐籠行程裝置、泄漏通信系統(tǒng)和油壓位移數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置組成。采集發(fā)射裝置主要由供電電池、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集存儲電路組成[11]。

(1)數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路主要采用STM32CBT6型單片機，系統(tǒng)輸出的信號為4～20 mA的電流信號，能夠驅(qū)動16位8通道AD7708型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)選擇油壓傳感器量程為1～40 MPa，對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換誤差為0.000 6 MPa；位移傳感器的量程為80～5 000 mm，對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換誤差為0.075 mm。數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置電路功能框架如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置電路功能框架Fig.5 Circuit function framework of data acquisition and transmission device

(2)數(shù)據(jù)存儲電路。采集板將收集到的位移數(shù)據(jù)和油壓數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，采用STM32的SPI接口技術(shù)，將數(shù)據(jù)存儲到SD卡。

(3)無線通信模塊。本文采用TDX868A無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊具有穩(wěn)定可靠、安裝方便、收發(fā)一體等特點，采用頻率合成技術(shù)，能夠提供RS485、RS232、TTL接口。

(4)供電電池。本文選用磷酸鐵鋰電池作為移動電源，用于數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置的供電電池，電壓等級為14.6 V，容量為60 Ah。并通過5 V穩(wěn)壓單元和24 V升壓模塊得到5 V和24 V作為單片機、位移傳感器和油壓傳感器的電源。

(5)數(shù)據(jù)接收裝置。數(shù)據(jù)接收裝置主要由泄漏電纜、無線傳輸模塊和變壓電路板構(gòu)成，使用泄漏電纜接收無線信號，安裝在井口，并通過RS485通信電纜傳輸?shù)缴衔粰C。

5.2 罐籠行程監(jiān)測裝置

罐籠行程監(jiān)測裝置用于實時采集罐籠的行程信號，安裝在提升機絞車房內(nèi)，能夠完成以下功能：①可以控制開車回路通斷，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)超限時，系統(tǒng)發(fā)出報警警示并切斷開車回路；②能夠?qū)崟r監(jiān)測提升罐籠的位移，在提升機轉(zhuǎn)動軸上安裝雙霍爾傳感器和磁鋼，用于監(jiān)測鋼絲繩的下放或提升的長度及運行速度；③對罐籠到位開關(guān)量信號進行實時采集，以獲取精確的到位信息。罐籠行程監(jiān)測裝置程序流程如圖6所示。

圖6 罐籠行程監(jiān)測裝置程序流程Fig.6 Cage stroke monitoring device program flow

雙霍爾傳感器脈沖信號的最高頻率為100 kHz，通過計數(shù)器來實現(xiàn)雙霍爾傳感器信號的檢測脈沖電平的變化，對脈沖個數(shù)進行加減操作。脈沖計數(shù)程序流程如圖7所示。

圖7 脈沖計數(shù)程序流程Fig.7 Pulse counting program flow

5.3 大屏幕顯示裝置

大屏幕顯示裝置采用LED顯示屏，能夠顯示主副罐籠的剩余電量和主副罐籠的靜載荷等，LED和上位機的數(shù)據(jù)通信協(xié)議見表1，利用上位機LabVIEW串口，把監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示電路板。

表1 LED和上位機的數(shù)據(jù)通信協(xié)議Tab.1 Data communication protocol between LED and host computer

5.4 抗干擾措施

(1)電路的抗干擾分析。電路的抗干擾設(shè)計有很多，目前常采用的有3種：提高敏感元件的抗干擾能力、切斷干擾傳播的路徑和抑制干擾源。

(2)消除電磁干擾。主要采用的措施：①合理的導(dǎo)線寬度。電感的大小和導(dǎo)線的長度呈正比，和寬度呈反比，在選擇電路布線寬度時，應(yīng)選用短粗的導(dǎo)線。②合理的布線策略。在布線時，當(dāng)數(shù)據(jù)采集板電路中信號走線應(yīng)采用相鄰兩層走線且平行走線，減小分布電容和導(dǎo)線電感。

6 結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)功能要求及需解決問題，設(shè)計了煤礦提升機載荷動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)與系統(tǒng)通信方案，研究了監(jiān)測系統(tǒng)的硬件，主要為數(shù)據(jù)采集發(fā)射與接收裝置、罐籠行程監(jiān)測裝置、大屏幕顯示裝置，并分析了抗干擾措施。