礦井提升動(dòng)態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

韓瑞東,申建朝,王 雷

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 夏店礦,山西 長治 046000)

分析近年來礦井提升事故調(diào)查資料,在大提升量、高速運(yùn)行狀態(tài)下,提升載荷(提升鋼絲繩張力值)異常是導(dǎo)致提升事故的主要原因之一。因此,實(shí)現(xiàn)提升工作全周期內(nèi)對(duì)提升載荷量、提升容器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得尤為重要,準(zhǔn)確掌握鋼絲繩受力情況和設(shè)備工作狀態(tài),是消除安全隱患避免事故發(fā)生的有效途徑。

1 監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

礦井提升動(dòng)態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)通過采集和處理提升載荷信號(hào),可實(shí)現(xiàn)對(duì)每根鋼絲繩張力值變化量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測。同時(shí),該系統(tǒng)還可以采集提升容器的位置信號(hào)、原煤、物料的裝卸載信號(hào),并以此為依據(jù)分析鋼絲繩所承受的動(dòng)態(tài)載荷是否正常。采用這種監(jiān)測模式,一方面能夠準(zhǔn)確掌握提升鋼絲繩在井底裝載過程、井口卸載過程等特殊位置的載荷變化,進(jìn)而判斷提升容器裝載是否超載、卸載是否完全,一旦發(fā)生超載現(xiàn)象,或者卸載不完全粘煤過多而導(dǎo)致鋼絲繩所承受的載荷值超過設(shè)定的安全范圍時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光警告,提醒工作人員采取合理的處理措施;另一方面,該套系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地監(jiān)測提升鋼絲繩在運(yùn)行中間狀態(tài)張力值的變化情況,對(duì)于卡罐、松繩等發(fā)生在提升容器中間運(yùn)行過程中的故障可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和處理[1]。總之,該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升鋼絲繩張力值的全行程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測,及時(shí)預(yù)判和發(fā)現(xiàn)提升容器運(yùn)行異常,有效避免提升事故的發(fā)生,確保礦井提升工作安全可靠地進(jìn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該礦井提升動(dòng)態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)是集無線射頻技術(shù)、模擬信號(hào)采集技術(shù)、串行通訊技術(shù)、PLC控制、LabVIEW等先進(jìn)技術(shù)于一體,由信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理三個(gè)功能框架組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 礦井提升動(dòng)態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wireless monitoring system on dynamic load in mine hoisting

1)信號(hào)采集部分: 對(duì)張力信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換與處理以及一些開關(guān)量信號(hào)的采集。通過安裝在首繩懸掛裝置連通管上的油壓傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩實(shí)時(shí)張力值的間接測量,利用AVR單片機(jī)對(duì)油壓傳感器反饋的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,相關(guān)數(shù)據(jù)利用串行通訊技術(shù)傳輸至采集網(wǎng)絡(luò)終端,等待信號(hào)傳輸和處理。

2)信號(hào)傳輸部分: 主要包括信號(hào)發(fā)射模塊對(duì)無線信號(hào)的調(diào)制與發(fā)射、信號(hào)接收模塊對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)與傳輸。在井筒惡劣的工況環(huán)境下,采樣樹簇結(jié)構(gòu)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),該網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)布置在提升容器上盤,將采集的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)過調(diào)制和放大處理進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸[2]。井口布置用于接受無線信號(hào)的接收裝置,并將接收到的信號(hào)解調(diào)為RS-485格式后傳輸至控制中心,通過串行通訊模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的信號(hào)傳輸處理。

3)數(shù)據(jù)處理部分: 對(duì)解調(diào)后的鋼絲繩張力數(shù)據(jù)以及各種輔助判定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 并安裝PLC控制器中預(yù)先設(shè)定的控制程序和控制策略進(jìn)行相應(yīng)的決策[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要是針對(duì)如何高效、準(zhǔn)確采集油壓傳感器和模塊電量的模擬量信號(hào),如何進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換處理、過濾放大處理,如何進(jìn)行信號(hào)傳輸與接收等問題進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的下位機(jī)工作流程如圖2所示。

圖2 下位機(jī)工作流程圖Fig.2 Flow chart of lower computer

系統(tǒng)上電后采集模塊按設(shè)計(jì)程序不間斷循環(huán)采集油壓傳感器產(chǎn)生的壓力信號(hào)、采集供電模塊的實(shí)時(shí)電量模擬信號(hào)。為了提高測量精度和有效性,程序?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行濾波處理,排除極大值和極小值干擾,對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行算數(shù)平均處理。如果下位機(jī)接到上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)發(fā)送指令,則通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳發(fā)送,完成一次工作循環(huán)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì),主要功能是結(jié)合提升容器位置信號(hào)、定量裝載裝置開關(guān)信號(hào)、絞車房部分控制信號(hào),對(duì)采集的張力信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷處理。如果卸載不充分,粘煤量大,滯煤質(zhì)量超過設(shè)定范圍,則發(fā)出滯煤超限警報(bào)[4]。如果裝載量過大,導(dǎo)致張力值超限,則發(fā)出超重警報(bào),并閉鎖絞車房開車提升信號(hào)。如果在空載下行或者重載上行過程中,監(jiān)測信號(hào)顯示鋼絲繩的實(shí)際張力值小于規(guī)程規(guī)定的最小值,則發(fā)出松繩故障警報(bào)。如果鋼絲繩之間的實(shí)測張力差大于10%,則發(fā)出張力自動(dòng)平衡失效的故障警報(bào)。系統(tǒng)對(duì)所有探測的故障做出報(bào)警響應(yīng)的同時(shí),還將故障類型、相關(guān)數(shù)據(jù)、故障時(shí)間等信息傳輸至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備案處理[5]。系統(tǒng)監(jiān)測主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program in the monitoring system

3.3 上位機(jī)控制界面設(shè)計(jì)

為了最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的監(jiān)視功能和控制功能,實(shí)現(xiàn)操控人員和監(jiān)測系統(tǒng)之間高效的信息交流,設(shè)計(jì)了觸摸屏式控制界面。系統(tǒng)工作前,可以根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置觸摸屏界面相關(guān)設(shè)備參數(shù),確保系統(tǒng)正常有效工作。系統(tǒng)工作時(shí),可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示諸如提升容器載重量值、鋼絲繩張力差值、提升容器位置、電池電量等監(jiān)測值,實(shí)時(shí)掌握各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)監(jiān)測數(shù)值異常時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。系統(tǒng)維護(hù)時(shí),可以調(diào)取儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備預(yù)警信息,方便維護(hù)人員排除設(shè)備故障源。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

該套礦井提升動(dòng)態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)在2016年9月在夏店礦安裝應(yīng)用,在應(yīng)用實(shí)踐中,該套系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)清晰地顯示提升鋼絲繩的動(dòng)態(tài)載荷,并按照預(yù)設(shè)的邏輯程序進(jìn)行信號(hào)處理,當(dāng)發(fā)生提升容器卸載不完全、提升容器超載、張力差超限、鋼絲繩發(fā)生松繩等異常情況時(shí),能夠及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警,為提升絞車房提供準(zhǔn)確的輔助參考信號(hào),杜絕了潛在的提升安全隱患。數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在投入運(yùn)行的一年半內(nèi),共發(fā)出卸載不充分預(yù)警8次,發(fā)出超載預(yù)警12次,發(fā)出張力差超限預(yù)警1次,發(fā)出松繩預(yù)警3次,并且所有預(yù)警均真實(shí)可靠,無誤報(bào)發(fā)生,操控人員在第一時(shí)間根據(jù)預(yù)警信號(hào)發(fā)現(xiàn)故障源,及時(shí)排除了運(yùn)行故障,確保了提升工作安全進(jìn)行。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)集無線射頻技術(shù)和可編程控制技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)提升過程的全程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測,能夠?qū)μ嵘d荷超值、提升鋼絲繩打滑、首繩懸掛裝置偏竄失衡、容器卡罐等提升故障進(jìn)行提前預(yù)警,及時(shí)消除安全隱患。現(xiàn)場應(yīng)用情況證實(shí),該套系統(tǒng)可靠性高,精確度高,性能穩(wěn)定,對(duì)確保礦井提升安全具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。