礦井提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

楊瑞芳

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城030500）

引言

提升系統(tǒng)是保障礦井煤炭物料連續(xù)運輸開采的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]，如出現(xiàn)故障將形成安全隱患，甚至發(fā)生安全生產(chǎn)事故。通過對煤礦行業(yè)各類生產(chǎn)事故以及故障的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，提升機在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生的卡罐、斷繩、過卷等安全事故，上述安全事故類型都與提升機所受載荷有關(guān)[2-3]。因此，應(yīng)運用提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)及時對提升機鋼絲繩以及相應(yīng)受力部件進行載荷監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)載荷異常數(shù)據(jù)并進行有效處置。目前提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)存在技術(shù)上的短板，可通過采用ARM高新技術(shù)芯片對監(jiān)測系統(tǒng)性能進行提升，可以使得監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代化煤礦大數(shù)據(jù)采集決策的發(fā)展需要[4]。

1 提升機運行狀態(tài)特性分析

在設(shè)計提升機監(jiān)測系統(tǒng)之前應(yīng)對提升機在運行過程中的動態(tài)特性進行分析，由于動態(tài)特性的載荷曲線是呈波浪形式，載荷數(shù)據(jù)并非一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時提升機的鋼絲繩張力將出現(xiàn)最大值和最小值相結(jié)合的特性，在運輸過程中受到其他部件的摩擦和加速度作用都會使載荷發(fā)生變化，因此在提升期運行狀態(tài)下的動態(tài)特性才使得載荷監(jiān)測系統(tǒng)研究更具有意義。

由于提升機是通過機械和電氣設(shè)備相結(jié)合的驅(qū)動模式，在整個運行提升過程中將產(chǎn)生5個階段，分別為加速、勻速、減速、爬升、停車階段[5]。其中在提升機加速階段的時候，鋼絲繩將受到較大的載荷張力，對于鋼絲繩的牽引性能有著較高的要求。在勻速階段的時候，整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)保持平衡，鋼絲繩的受力數(shù)據(jù)不變。在提升機進入到減速階段的時候，鋼絲繩的張力較小[6]。此外，在爬行階段時，與提升機勻速運行階段的特征相似，而在停車階段時候，提升機的速度較小，依靠著所裝載的煤炭物料重力進行減速至停車狀態(tài)。提升機5個階段速度特征示意圖如圖1所示。

圖1 提升機速度特性示意圖

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)對提升機速度特性的分析以及驅(qū)動方式，采用以液壓缸的液壓油驅(qū)動的提升機為研究對象。監(jiān)測系統(tǒng)隨著提升機各個部件的移動能夠及時采集和傳送數(shù)據(jù)，在后臺監(jiān)控室的上位機和各個工作面的傳感器之間都能有信號的傳送，設(shè)計出整體載荷監(jiān)測系統(tǒng)的框架示意圖如圖2所示。

圖2 提升機在線載荷監(jiān)測系統(tǒng)框架示意圖

采用ARM芯片作為核心部件，實現(xiàn)各傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸、電路集成、信號發(fā)射的功能。ARM的STM33芯片是目前工業(yè)領(lǐng)域采用的先進芯片，是載荷監(jiān)測系統(tǒng)硬件高效運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)部件。

此外，在對載荷數(shù)據(jù)信號采集的電路設(shè)計時，應(yīng)選用防爆元器件并進行電氣隔離，綜合設(shè)計出采集電路為16路的數(shù)字采集通道，同時接收32路的模擬量信號，集成數(shù)字量隔離電路，使同一芯片能夠進行多路計算，數(shù)字量電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 數(shù)字量電路設(shè)計方案示意圖

傳感器的設(shè)計選型是關(guān)鍵步驟，最主要的傳感器是壓力變送器，根據(jù)提升機監(jiān)測系統(tǒng)的電壓、壓力、防護等因素綜合考慮選用NS-P-I型號的壓力變送器，具有IP68防護等級。該型號的壓力變送器的輸入電壓為24 V，可以承受的壓力范圍值為0～25 MPa，工作精度為0.5%，滿足在礦井內(nèi)高溫高濕的工作環(huán)境，最大工作溫度能夠達到80℃。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

對提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)上下位機軟件進行設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互和安全平穩(wěn)運行為目標。其中上位機的軟件設(shè)計主要包括參數(shù)設(shè)定、運行管理、查詢數(shù)據(jù)等三個關(guān)鍵功能，上位機軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 上位機軟件結(jié)構(gòu)示意圖

下位機應(yīng)該與上位機進行配合開發(fā)，能夠使下位機通過CAN數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)MCU的配置，并通過單片機底層開發(fā)實現(xiàn)機器語言的寄存管理，如圖5所示為下位機軟件架構(gòu)圖。

圖5 下位機軟件結(jié)構(gòu)示意圖

在對下位機進行通信串口定義時，通過單片機各個引腳寫入各類數(shù)據(jù)傳輸和存儲的功能函數(shù)，包括時鐘模塊化配置、串口中斷配置、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計等。將下位機設(shè)計的16路ADC進行數(shù)據(jù)采樣并實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至上位機的監(jiān)測界面。

4 應(yīng)用效果分析

對提升機運行階段鋼絲繩張力數(shù)據(jù)進行獲取，同時對提升運行階段鋼絲繩張力變化特性進行了相關(guān)研究。為驗證以上研究的正確性，采用Adams軟件對提升運行階段模型進行仿真，并將仿真后的數(shù)據(jù)與礦井生產(chǎn)過程中提升機的實際加載曲線進行對照，對在線監(jiān)測系統(tǒng)模型與應(yīng)用的正確性進行驗證。

圖6所示為提升機運行階段Adams模型曲線示意圖。隨提升加速度不同模型亦有所差異，為保證模型驗證在整個提升運行階段的連續(xù)性，通過設(shè)置尾繩等效彈簧鋼度與等效質(zhì)量為時變函數(shù)，使之能夠滿足提升機不同提升運行階段的工況模型，輸出鋼絲繩與張力自平衡裝置結(jié)合點應(yīng)力仿真曲線，該曲線與實際提升時鋼絲繩所受應(yīng)力的曲線基本相同，如下頁圖7所示。

圖6 提升機運行階段張力曲線仿真數(shù)據(jù)示意圖

兩者曲線具有相同的變化趨勢，通過以上數(shù)據(jù)說明，所研究的提升機運行階段鋼絲繩載荷張力變化特性具有正確性，證明設(shè)計出的提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的載荷張力數(shù)據(jù)精確，能夠有效地掌握提升機受載荷情況的變化。

5 結(jié)語

提升機作為連接礦井內(nèi)外的主要運輸工具，其整體結(jié)構(gòu)部件的安全性至關(guān)重要，尤其是提升機鋼絲繩在受到載荷作用力的長時間作用下會發(fā)生磨損斷裂。因此，提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)有助于掌握提升機鋼絲繩所受的載荷大小，監(jiān)測是否有異常載荷數(shù)據(jù)出現(xiàn)。通過仿真技術(shù)軟件，對設(shè)計出的提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)進行仿真并提取載荷數(shù)據(jù)，與實際工況的載荷數(shù)據(jù)進行對比分析得出，提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足于現(xiàn)場實際工作需要，可為煤礦行業(yè)研發(fā)新型提升機安全監(jiān)測設(shè)備提供依據(jù)。

圖7 提升機鋼絲繩應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線對比圖