基于云平臺(tái)的摩擦提升機(jī)滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)研究

喬濤濤　吳建　任曉前　王前

摘要：結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)煤礦安全的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一套基于云平臺(tái)的摩擦提升機(jī)滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，給出了設(shè)計(jì)內(nèi)容以及技術(shù)路線，對(duì)于保障煤礦的安全生產(chǎn)具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，也為新技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)的應(yīng)用提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；摩擦提升機(jī)；滑動(dòng)預(yù)警

1 摩擦提升機(jī)滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)研究進(jìn)展

現(xiàn)代礦井提升機(jī)提升量大，速度高，已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械。提升設(shè)備主要由提升鋼絲繩、平衡鋼絲繩、提升容器、井架、天輪、井筒設(shè)備（包括罐道、罐梁等）等組成。多繩摩擦式提升機(jī)在工作時(shí)利用摩擦傳遞動(dòng)力，鋼絲繩搭放在摩擦輪的摩擦襯墊上，提升容器懸掛在鋼絲繩的兩端，在容器底部還懸掛有平衡鋼絲繩，鋼絲繩以一定的正壓力緊壓在摩擦襯墊之上便產(chǎn)生摩擦力。在此摩擦力的作用下，鋼絲繩便跟隨摩擦輪一起運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)容器的提升或下放。由于多繩摩擦式提升機(jī)具有安全性高、鋼絲繩直徑小、主導(dǎo)輪直徑小、設(shè)備重量輕、耗電少、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展很快。除用于深立井提升外，還可用于淺立井和斜井提升。由于摩擦提升靠提升鋼絲繩和摩擦襯墊之間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力，因此有出現(xiàn)滑動(dòng)事故的危險(xiǎn)。

分析事故造成的原因，有人為因素存在，但更重要的是對(duì)提升機(jī)滑動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)滑動(dòng)事故的重視度不夠，對(duì)滑動(dòng)預(yù)警的手段缺乏所致。因此，有必要開(kāi)展摩擦提升機(jī)滑動(dòng)方面的研究，研制相關(guān)滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，為提升機(jī)安全運(yùn)行提供理論支撐和技術(shù)保障。本文的意義在于為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

防滑設(shè)計(jì)及防滑計(jì)算并不能完全解決摩擦提升機(jī)滑動(dòng)問(wèn)題，因此，防滑裝置對(duì)于提升機(jī)滑動(dòng)事故具有重要的作用。防滑制動(dòng)功能多集中在提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，例如ABB，SIMAG，GHH等公司生產(chǎn)的提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有滑動(dòng)檢測(cè)的功能。緊急制動(dòng)時(shí)摩擦輪制動(dòng)力矩過(guò)大是導(dǎo)致滑動(dòng)事故的一個(gè)重要因素，因此，為了防止滑動(dòng)事故的發(fā)生，國(guó)外一些公司研究和開(kāi)發(fā)出了恒減速液壓制動(dòng)系統(tǒng)。例如SIMAG公司生產(chǎn)的ST3-D型液壓站為雙泵雙閥恒減速液壓系統(tǒng)。在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方面，潘弘等提出了使用MCGS組態(tài)上位機(jī)，使用PLC作為下位機(jī)，并以O(shè)PC進(jìn)行通訊的提升機(jī)滑繩保護(hù)系統(tǒng)方案。馬軍提出了使用VC6.0開(kāi)發(fā)上位機(jī)，利用HY-8021采集處理傳感器信號(hào)，通過(guò)總線與PC機(jī)進(jìn)行通訊的鋼絲繩防滑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。許偉偉等提出了應(yīng)用三菱FX2N型可編程控制器和VISUAL BASIC（VB）6.0技術(shù)，設(shè)計(jì)提升防滑繩安全保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。賈福音等設(shè)計(jì)了一種防溜車制動(dòng)裝置，其原理是該裝置在正常提升時(shí)，彈性元件被液壓力壓在待工作位置。當(dāng)出現(xiàn)滑繩或溜車時(shí)，由電磁閥泄流，夾持摩擦體，夾持提升繩，使提升繩在摩擦力作用下制動(dòng)。

云計(jì)算（cloud computing）基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說(shuō)法。過(guò)去在圖中往往用云來(lái)表示電信網(wǎng)，后來(lái)也用來(lái)表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施。因此，云計(jì)算甚至可以讓用戶體驗(yàn)每秒10萬(wàn)億次的運(yùn)算能力，擁有這么強(qiáng)大的計(jì)算能力可以模擬核爆炸、預(yù)測(cè)氣候變化和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。用戶通過(guò)電腦、筆記本、手機(jī)等方式接入數(shù)據(jù)中心，按自己的需求進(jìn)行運(yùn)算。

云計(jì)算逐漸廣泛應(yīng)用于教育、商業(yè)等行業(yè)。教育在云技術(shù)平臺(tái)上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，被稱為“教育云”。云教育從信息技術(shù)的應(yīng)用方面打破了傳統(tǒng)教育的壟斷和固有邊界。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)浪潮的生力軍。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)各方面。物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，隨著其深入的發(fā)展和流量的增加，對(duì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和計(jì)算量的要求將帶來(lái)云計(jì)算需求的增加。云計(jì)算在工業(yè)中也有所應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)一套基于云平臺(tái)的摩擦提升機(jī)滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性和研究?jī)r(jià)值。

2 本文研究的主要內(nèi)容及特色

本文主要從幾個(gè)方面研究開(kāi)展：（1）滑動(dòng)預(yù)警判據(jù)理論研究。根據(jù)摩擦提升機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)滑動(dòng)故障進(jìn)行判斷，對(duì)滑動(dòng)判據(jù)進(jìn)行理論研究。在提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)安裝在摩擦輪和導(dǎo)向輪的編碼器檢測(cè)到摩擦輪和導(dǎo)向輪2個(gè)速度值V1和V2，當(dāng)△V1=|V1-V2|大于滑動(dòng)速度設(shè)定值時(shí)，表明提升系統(tǒng)出現(xiàn)滑動(dòng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間△t后，檢測(cè)到滑動(dòng)速度差值△V2，若△V1>△V2，說(shuō)明滑動(dòng)處于越滑越慢，屬安全滑動(dòng)，此時(shí)由軟件系統(tǒng)發(fā)出滑動(dòng)報(bào)警信號(hào)，提示司機(jī)注意；若△V1<△V2，說(shuō)明滑動(dòng)越來(lái)越快，滑動(dòng)呈發(fā)散狀態(tài)，屬危險(xiǎn)滑動(dòng)，此時(shí)由軟件系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，自動(dòng)斷開(kāi)提升機(jī)系統(tǒng)安全回路，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)制動(dòng)，當(dāng)摩擦輪停止后，若檢測(cè)仍屬危險(xiǎn)滑動(dòng)，則啟動(dòng)鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)保護(hù)。（2）滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)所涉及的硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)是基于西門(mén)子S7-300型PLC而開(kāi)發(fā)的，利用STEP7編程軟件的語(yǔ)句表指令對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)。可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行全過(guò)程的滑動(dòng)安全保護(hù)及盤(pán)式制動(dòng)器回油路堵塞保護(hù)等功能。（3）滑動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)云平臺(tái)建設(shè)及終端人機(jī)交互設(shè)計(jì)。利用云平臺(tái)，設(shè)計(jì)不同終端交互人機(jī)界面。（4）滑動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為有效制止滑動(dòng)，設(shè)計(jì)相關(guān)制動(dòng)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化。

3 本文研究的技術(shù)路線

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)：能在提升作業(yè)全程實(shí)施滑繩速度在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)滑繩時(shí)，能顯示滑繩速度并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（2）危險(xiǎn)滑動(dòng)消除：當(dāng)危險(xiǎn)滑動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，能對(duì)提升機(jī)實(shí)施安全制動(dòng)，并啟動(dòng)鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)，并對(duì)鋼絲繩不造成損傷，消除危險(xiǎn)滑動(dòng)。（3）回油路保護(hù)：可對(duì)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)回油路堵塞進(jìn)行保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盤(pán)式制動(dòng)系統(tǒng)回油路壓力，當(dāng)提升機(jī)制動(dòng)時(shí)，回油路發(fā)生堵塞時(shí)開(kāi)啟旁油路，實(shí)現(xiàn)堵塞保護(hù)。（4）多種控制方式：對(duì)于鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有自動(dòng)與手動(dòng)2種控制方式，且可方便轉(zhuǎn)換。（5）系統(tǒng)自檢：在系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，能夠監(jiān)測(cè)并顯示故障原因，以便于用戶及時(shí)維護(hù)。（6）云平臺(tái)查看：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)，通過(guò)云平臺(tái)處理傳遞給客戶端進(jìn)行有效的操作。

依據(jù)所要顯示的功能系統(tǒng)主要構(gòu)架如圖1所示。本文主要依據(jù)幾個(gè)步驟開(kāi)展：（1）總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下位機(jī)包括控制器、報(bào)警器、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器等。上位機(jī)包括顯示器、工控機(jī)、手機(jī)等手持設(shè)備。通過(guò)云平臺(tái)與控制器交換信息，將傳感器采集信息、控制器控制信息通過(guò)云平臺(tái)與上位機(jī)進(jìn)行交換，通過(guò)云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與交互，實(shí)現(xiàn)多終端監(jiān)控報(bào)警。（2）利用編碼器獲取提升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖信號(hào)，將速度脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度及加速度信號(hào)，依據(jù)滑動(dòng)判據(jù)理論對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，判斷是否出現(xiàn)滑動(dòng)，并將此信息通過(guò)云平臺(tái)傳遞給終端設(shè)備。（3）控制器根據(jù)通過(guò)云平臺(tái)傳遞過(guò)來(lái)的終端設(shè)備人機(jī)交互指令或傳感器所采信息進(jìn)行判斷，執(zhí)行報(bào)警或開(kāi)啟制動(dòng)機(jī)構(gòu)。（4）利用proe以及有限元軟件等對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（5）滑動(dòng)保護(hù)方法。本系統(tǒng)監(jiān)控及控制對(duì)象包括液壓系統(tǒng)、鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)。液壓系統(tǒng)是鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和開(kāi)啟的動(dòng)力源，并配有大容量的蓄能器，本系統(tǒng)可對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)斷電時(shí)，立即切換到蓄能器應(yīng)用狀態(tài)，以保證在斷電的情況下，鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠正常開(kāi)啟。當(dāng)產(chǎn)生危險(xiǎn)滑動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制鋼絲繩制動(dòng)機(jī)構(gòu)，提升鋼絲繩的制動(dòng)，從而消除滑動(dòng)，達(dá)到滑動(dòng)保護(hù)的目的。（6）回油路堵塞保護(hù)是在安全制動(dòng)時(shí)，通過(guò)輸入到軟件系統(tǒng)中的檢測(cè)到的回油路中的壓力值是否下降到要求值判斷能否回油。若不能回油，則通過(guò)軟件系統(tǒng)輸出控制信號(hào)使2位2通閥的旁油路回油。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)當(dāng)前摩擦提升機(jī)滑動(dòng)預(yù)警研究進(jìn)展情況，結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)展新型的預(yù)警系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，給出了研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線。本預(yù)警裝置對(duì)于保障煤礦的安全生產(chǎn)具有很強(qiáng)的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，也為新技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)的應(yīng)用提供了一種新的思路。