礦井提升機鋼絲繩張力檢測系統設計

梁 楠 魏凱杰 王 波

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

在煤礦開采中礦井提升機擔負著重要角色，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。由于人為或機械故障原因，可能出現二次裝煤或箕斗余煤等問題，這時鋼絲繩就會在超負載情況下工作，這對于煤礦安全生產產生很大的影響。為了避免此類事情發生，需對鋼絲繩的張力實時檢測，避免事故的發生。同時也要考慮系統的特殊性，不能破壞原有提升系統的正常工作。

1 系統結構設計

傳統的張力傳感器通常測量固定不動的物體，與被測物體串聯在一起，系統供電也比較方便。而對于提升機來說，在工作當中鋼絲繩是運轉的，傳統的傳感器并不適用。為了解決這個問題，系統采用旁壓式傳感器，此類傳感器安裝方便，直接將傳感器夾入被測鋼絲繩上，為了不影響系統的正常運行，傳感器的位置安裝在繩頭的末端，當鋼絲繩上下運動時，并不會觸碰到傳感器。

此時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。由于礦井提升系統比較深，大都在200 米左右，對于一些深井開采系統來說有的甚至深達600 米，如果采用隨行電纜來進行供電，造價比較昂貴，同時對于礦井開采這一特殊行業來說，系統安全性能要求特別高，設備必須有防爆功能，所以這種方法可行性不大。經過周密的設計和思考，最終我們設計了一套無線傳輸設備，很好的解決了這一難題。

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

另外，傳感器順利的采集到數據后，不可能直接就地處理，它是隨提升系統上下運行的，如果鋼絲繩張力出現問題，系統位置不固定，監控人員可能不會及時察覺到問題，系統存在反應滯后現象，所以數據的處理中心必須在離檢測人員比較近的在一個固定位置。這樣的話系統的數據采集和數據處理就要分別處在兩個不同的位置，一個隨鋼絲繩上下運動，一個固定位置不動。此時就需要解決兩者之間的數據傳輸問題。

此時，我們想到了無線通信。如今無線通信技術已經比較先進，常見的無線通信技術有藍牙、Wi-Fi、紅外技術、ZigBee、NFC 等。其中ZigBee 無線網絡傳輸技術在井下應用最為廣泛，其功耗低、可靠性高、短延時、網絡容量大、抗干擾能力強。這些優點正好能滿足礦井下對系統及設備的要求，最重要的是Zigbee 的網絡節點可以任意的布置，這樣系統就有很強的靈活性。

根據設計思路，可構建系統整體結構框架如圖1 所示：

圖1

2 無線模擬量采集發送裝置

該系統由無線模擬量采集模塊與無線接收模塊組成，主要涉及數據采集裝置、無線發送與接受裝置。無線模擬量采集模塊功能主要是將4～20ma 的電流信號轉變成數字量，然后利用基于Zibgee 無線發送裝置發送采集數據。

無線發送模塊支持功率調節，其最遠傳輸距離可達200 米，在一些較淺的礦井中一個模塊就可完成數據傳輸，而對于深井來說必須根據實際情況添加一些中間傳輸模塊，這時就體現出了Zibgee 技術的優勢。

系統接口我們采用RS485，而對于傳輸協議，由于數據處理中心是基于PLC 的，所以傳輸協議我們采用Modbus。Modbus 協議有兩種傳輸方式：RTU 和ASCII。在ASCII 模式下，設備在Modbus 串行鏈路上通信時，用兩個ASCII 字符發送報文中的一個字節。在RTU 模式下，報文中每8 位字節分為兩個4 位十六進制字符。在相同的波特率下，RTU 模式比ASCII 模式有更高的吞吐量，減少無線發送時間，因此本系統采用RTU 模式。

無線發送數據格式依次為：ADDR、FUNC、R-addr、NUM、CRC。

無線接受數據格式依次為：ADDR、FUNC、DATALTH、DATA、CRC。

其中ADDR 和FUNC 長度均為一字節校驗位CRC 為兩字節，其他幾位根據數據的傳輸多少來決定字節的大小。

當無線接收裝置接收傳輸的數據時，將該數據通過RS485 接口與本安PLC 連接，實現數據轉發，該接受裝置為透明傳輸設備。

3 曲線擬合與系統界面設置

PLC 得到數據是一個與張力值相關聯的電流值，此時還要對數據進行處理才能最終得到鋼絲繩的張力。兩者之間對的關系需要通過一些實驗來進行分析，從而得出兩者的函數關系。根據傳感器的數據手冊可以可知兩者之間是線性關聯的，此時可以通過曲線擬合方法來得到電流和拉力的線性關系，我們使用的最小二乘法。在實驗階段我們得到了以下一組實驗數據：

兩者的關系用下式來表示：

φ(x)=a+bx

利用最小二乘法求出a、b，使得誤差值最小，誤差計算公式如下式：

由表格中的數據可得到：

由此計算得

此時就可得到電流與拉力的關系，即

F(I)=1.1044·I-2.6139

當采集到數據后，將電流值帶入上式，經計算處理就可得到鋼絲繩的張力值。

系統的控制界面采用觸摸屏進行控制，界面可事實顯示鋼絲繩的張力值和歷史曲線，當系統發出警報聲時可通過控制界面進行確認，來解除警報。同時也可在界面上對系統的參數進行調整，操作人員可根據不同的煤密度來設置不同的報警值。

觸摸屏我們采用中國臺灣威綸公司生產的MT506，它可適配幾乎所有常見的PLC 類型，可方便對系統進行設置。它通過485 總線與PLC 進行通信，系統設有不同級別的管理權限，方便對系統進行控制。

4 總結

該系統采用無線數據通信模塊，能夠實時檢測提升機鋼絲繩的張力情況，該模塊基于Zigbee，具有功耗低，傳輸可靠的特點。本系統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系，經過曲線擬合后，得到精確的箕斗內的載重，并通過形象地顯示出來。當系統載重超標時，會給予報警，管理人員及時發現，盡早處理潛在的危險事故，從而避免了礦井下因為箕斗過載而造成的安全生產事故。

系統的設計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，大大提高提升機安全運行水平，保障了礦井下的財產安全和礦下工人的生命安全。同時減少安全事故的發生，提高了原煤的提升能力，增加了煤礦的生產產量，產生巨大的經濟效益。減少了提升機的檢修設備投入，同時減少了勞動力支出，為煤礦節約了大量的生產成本。

［1］姜華，王金波.多繩摩擦提升機鋼絲繩張力檢測方法研究[J].自動化技術與應用，2010(11)：69-71.

［2］姚文斌，邵千鈞，張蔚.礦井提升鋼絲繩張力檢測儀的研制[J].煤炭學報，2004(6)：371-375.

［3］尹中會，張安寧，李飛仙.多繩提升箕斗懸掛點鋼絲繩張力變化規律分析[J].煤礦機械，2009(10)：88-90.

［4］雷毅，王杰，余圣甫.基于鋼絲繩股繩張力在線自動檢測技術[J].2004，26(4)：53-56.

［5］李瑞，何永慶，陳翀，謝守勇.細鋼絲繩張力在線檢測裝置的研制[J].2009(3)：29-31.