礦井提升機(jī)鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張曦曦

（山西科林礦山檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，山西陽泉 045000）

0 引言

礦井提升機(jī)類似于電梯，主要用于實(shí)現(xiàn)礦井中人和物的運(yùn)輸[1-2]。然而，發(fā)揮帶動(dòng)傳送作用的鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生損傷，導(dǎo)致提升能力超出張力范圍，一旦發(fā)生災(zāi)難性事故，后果不堪設(shè)想[3]。在重物運(yùn)輸過程中，由于磨損、機(jī)械劃傷、環(huán)境腐蝕和疲勞等作用，鋼絲繩的損傷行為多種多樣。而目前工程上主要采用人工目視檢測的方法，耗時(shí)費(fèi)力，效率不高，且許多內(nèi)部損傷的鋼絲繩無法被準(zhǔn)備地檢測到[4-5]。為了提高礦井生產(chǎn)的安全性，保證礦工的生命健康安全及設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，有必要提出一整套主動(dòng)性強(qiáng)、檢測效率和正確率高的礦井提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測方法[6]，為礦井提升機(jī)鋼絲繩的安全狀況準(zhǔn)確評估提供有效的技術(shù)支撐。

當(dāng)材料內(nèi)部存在損傷時(shí)，磁場作用下的材料結(jié)構(gòu)不完善處的磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生突變。借助這一物理特性，可以根據(jù)工件的磁感應(yīng)強(qiáng)度對材料的結(jié)構(gòu)完善狀態(tài)進(jìn)行有效的評估。該方法不僅能夠檢測鐵磁性材料的完整性，還能對非鐵磁材料進(jìn)行有效的檢測。弱磁技術(shù)具有檢測效率高、檢測精度高和檢測成本低等優(yōu)勢，已成功應(yīng)用于航天、鐵路、建筑等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。本文將基于漏磁檢測理論構(gòu)建一套鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括軟件模塊和硬件模塊兩部分，最后通過現(xiàn)場應(yīng)用說明了該檢測系統(tǒng)的合理性。

1 鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)的功能要求分析

1.1 主要功能

（1）安裝在礦井提升機(jī)鋼絲繩上的損傷檢測裝置，通過霍爾傳感環(huán)形空間陣列裝置完成鋼絲繩檢測，無需接觸鋼絲繩，精密監(jiān)測鋼絲繩的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

（2）為了較好地實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測的效果，系統(tǒng)必須具有良好的信號采集和A/D轉(zhuǎn)換的功能。

（3）檢測系統(tǒng)必須能夠?qū)邮艿降脑夹盘栠M(jìn)行及時(shí)主動(dòng)的分析、識別和處理，一旦檢測發(fā)現(xiàn)到鋼絲繩存在異常情況時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。

（4）對鋼絲繩的檢測速率要符合現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

霍爾傳感環(huán)形空間陣列由多個(gè)霍爾傳感器組成，霍爾傳感器用于將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出。霍爾傳感器分辨率和測量誤差為0，1 V和0.001 V，使用溫度為-40～80℃，防爆等級為PTBEExiaIlCT6，信號傳遞采用二線制4～20 mA，使用濕度≤90%RH。

1.3 使用要求

考慮到礦井的空氣環(huán)境介質(zhì)具有腐蝕性、同時(shí)可能含有危險(xiǎn)可燃?xì)怏w，會(huì)對測量傳輸裝置造成影響，因此要求設(shè)備具備耐腐蝕、防火防爆的特性。安裝過程中一定要保證設(shè)備的完好性，做好防腐、防水和防潮工作，保持探測器探測部位干凈、清潔和通暢，定期對系統(tǒng)和探測器進(jìn)行校驗(yàn)。

1.4 經(jīng)濟(jì)要求

考慮到企業(yè)預(yù)算方面的要求，整個(gè)傳感測量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)盡可能低價(jià)、低成本，高昂的費(fèi)用會(huì)影響用戶的可接受度和市場的推廣度。但傳感裝置必須在低成本的同時(shí)，還能夠滿足現(xiàn)場使用的基本技術(shù)需求。

1.5 操作性要求

礦井中作業(yè)設(shè)備類型繁多，空間密集，為了方便安裝維護(hù)，通常用戶要求傳感裝置盡可能緊湊，但仍要能提供高度精確的讀數(shù)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成框圖

本監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集裝置、信息傳輸轉(zhuǎn)換裝置和終端控制裝置，數(shù)據(jù)采集裝置對漏磁傳感器收集的電信號進(jìn)行檢測，信號傳輸轉(zhuǎn)換裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后，傳遞給與其連接的軟件顯示端。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對含結(jié)構(gòu)缺陷的鋼絲繩安全狀態(tài)進(jìn)行檢測和評估，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)硬件功能描述

礦井提升機(jī)鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集裝置，包括檢測磁場信號信息的霍爾傳感環(huán)形空間陣變送器，將富含鋼絲繩內(nèi)部缺陷信息的信號傳輸于信息傳輸轉(zhuǎn)換裝置?；魻杺鞲协h(huán)形空間陣變送器輸出的信號，經(jīng)信號預(yù)處理、電流/電壓變換、A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)模塊，單片機(jī)模塊對信息分析處理后，將信號傳送至監(jiān)控平臺的屏幕上，在計(jì)算機(jī)屏幕上以數(shù)值的方式顯示檢測值的變化，同時(shí)根據(jù)預(yù)置報(bào)替參數(shù)給出視覺報(bào)替和聲音報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)軟件功能描述

（1）采集數(shù)據(jù)顯示及告警顯示：主要是在主界面上顯示接收的監(jiān)視信號數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)視現(xiàn)場的信號超過告警界限時(shí)，在主界面告警面板上顯示告警地點(diǎn)及告警內(nèi)容。

（2）采集寫入漏磁場信號和濃度數(shù)據(jù)庫：根據(jù)由系統(tǒng)接受的信息，提取出時(shí)間、地點(diǎn)及采集信號，并分析上述數(shù)據(jù)的合法性，如果合法則存入數(shù)據(jù)庫。

（3）一旦判確認(rèn)鋼絲繩內(nèi)存在異常工況，系統(tǒng)會(huì)提供聲音報(bào)警和視覺報(bào)警，可隨時(shí)查看系統(tǒng)參數(shù)、當(dāng)前鋼絲繩信號信息，并提供打印功能。

（4）具有強(qiáng)大的參數(shù)設(shè)置功能，如每個(gè)漏磁場信號報(bào)警的上、下限，數(shù)據(jù)采樣間隔，保存信息間隔等通用性強(qiáng)，適用于各種信號監(jiān)測環(huán)境。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要是完成漏磁場信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。為了獲得漏磁場信號，在每個(gè)泥漿池液面上方水平面共安裝了5個(gè)超聲波傳感器。A/D轉(zhuǎn)換器可以選用模擬設(shè)備公司的AD7705，該芯片為16位型雙極性A/D轉(zhuǎn)換器，采用串口通信，具有精度高、轉(zhuǎn)換快、功耗低等特點(diǎn)，主要完成A/D轉(zhuǎn)換和向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。單片機(jī)選用Intel公司的8051，主要完成在一個(gè)采樣周期內(nèi)一次并儲(chǔ)存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分需實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在最近采樣周期內(nèi)的最終信號，方便以后查詢和繪制變化曲線。要記錄的信息包括以下幾個(gè)參數(shù):繩索的位置、漏磁場信號、當(dāng)前位置的信號是否超限、當(dāng)前記錄的時(shí)間等。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和可靠性，將本文設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)應(yīng)用于某礦井的提升機(jī)中?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠高速率地診斷出鋼絲繩的健康狀態(tài)，免去人工檢測的繁瑣，提高傳統(tǒng)檢測手段的檢測準(zhǔn)確率[7]。

5 總結(jié)

為了提高礦井生產(chǎn)的安全性，保證礦井提升機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，有必要提出一整套主動(dòng)性強(qiáng)、檢測效率和正確率高的礦井提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測方法。為此，本文基于弱磁技術(shù)研發(fā)了一套礦井提升機(jī)鋼絲繩在線無損檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件模塊和軟件模塊兩部分，能夠?qū)崿F(xiàn)精密監(jiān)測鋼絲繩的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，一旦檢測到鋼絲繩結(jié)存在缺陷，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警提醒工作人員。工業(yè)應(yīng)用案例證明了該系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測方法可以為礦井提升機(jī)鋼絲繩的安全狀況準(zhǔn)確評估提供有效的技術(shù)支撐。當(dāng)然，本文監(jiān)控系統(tǒng)需要經(jīng)過現(xiàn)場測試[8]，檢測系統(tǒng)性能是否穩(wěn)定，測量是否準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性如何，功能是否完善，安裝維護(hù)是否方便。根據(jù)現(xiàn)場反饋結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)一步升級和優(yōu)化，使系統(tǒng)更好地服務(wù)于礦井的安全監(jiān)測任務(wù)中。