基于無線通訊的新型提升機(jī)松繩保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

關(guān)小智，李 健，汪慶留，張斌斌

(華亭煤業(yè)公司山寨煤礦，甘肅 華亭 744100)

礦山提升運(yùn)輸系統(tǒng)的安全面臨著許多挑戰(zhàn)，隨著提升機(jī)自動化程度的提高，其系統(tǒng)安全系數(shù)不斷提升，但仍舊存在一些安全問題，礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)[1]。目前，礦井提升機(jī)松繩保護(hù)大部分采用行程式或者觸點(diǎn)開關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場使用情況，該裝置可靠性差，為解決該問題，通過對礦井提升裝置松繩保護(hù)系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)出一種基于無線通訊的新型提升機(jī)松繩保護(hù)系統(tǒng)，該裝置能準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地檢測提升機(jī)的首繩在運(yùn)行和停止時(shí)的狀態(tài)，提升機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)松繩狀況，裝置將通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)傳送給提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行處理，確保礦井提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并且該系統(tǒng)可推廣在斜井串車提升中使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和配置

新型提升機(jī)松繩保護(hù)裝置，能準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地檢測提升機(jī)的首繩在提升機(jī)運(yùn)行和停止時(shí)的狀態(tài)。如果提升機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)松繩狀況，裝置將通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)傳送給提升機(jī)電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)接收到松繩信號后對提升機(jī)做出相應(yīng)的處理，從而避免事故發(fā)生或向更嚴(yán)重的方向發(fā)展。

在現(xiàn)有的豎立井礦井系統(tǒng)中，罐籠作為井下人員出入、物料運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃驗(yàn)闊o法進(jìn)行電源和信號線纜的連接，在礦井系統(tǒng)運(yùn)行中，容易造成信息死角，系統(tǒng)存在一定的安全問題[1]。

針對這一問題，通過數(shù)據(jù)采集模塊對罐籠首繩連接松繩監(jiān)測，同時(shí)利用無線通訊方式和地面控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接，實(shí)現(xiàn)罐籠首繩松繩的報(bào)警和提升系統(tǒng)的及時(shí)停車排查，達(dá)到了安全實(shí)用的效果。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過采用無線通訊方式，實(shí)現(xiàn)罐籠到井口地表的數(shù)據(jù)通訊，將罐籠內(nèi)松繩接近開關(guān)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地表控制室，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)對罐籠松繩的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動控制，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控松繩系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。松繩檢測系統(tǒng)整體拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 松繩檢測系整體拓?fù)?/p>

1.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)采用先進(jìn)的無線充電、無線通信系統(tǒng)及IP技術(shù)，解決了罐籠信號和電源問題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號在無線及局域網(wǎng)上進(jìn)行傳送，達(dá)到了罐籠松繩及時(shí)報(bào)警、電源實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能，是一套純數(shù)字、免維護(hù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，將終端接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息聯(lián)鎖，即可實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)松繩保護(hù)下的安全控制運(yùn)行。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)主要采用元件包括有以下設(shè)備：①無線充電發(fā)射端：實(shí)現(xiàn)將AC220V電源的輸入實(shí)現(xiàn)高頻電磁發(fā)射；②無線充電接收端：實(shí)現(xiàn)給DC12V鋰電池電源的充電；③鋰電池：40AH；④信號檢測板：實(shí)現(xiàn)傳感器信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；⑤網(wǎng)橋：實(shí)現(xiàn)罐籠到地面的數(shù)據(jù)通訊；⑥信號輸出板：實(shí)現(xiàn)檢測信號的恢復(fù)還原；⑦報(bào)警器：實(shí)現(xiàn)松繩聲光警示；⑧交換機(jī)，百兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；⑨檢測開關(guān)：檢測松繩動作。

2 系統(tǒng)機(jī)械原理

罐籠松繩保護(hù)裝置主要由UPS電源、接近開關(guān)、無線收發(fā)射裝置、和罐體的懸掛器組成，利用提升機(jī)罐籠頂部的懸掛裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)在提升機(jī)重載和松繩時(shí)發(fā)生的彈性形變，產(chǎn)生機(jī)械位移[2]，帶動罐籠本地的防墜器，將罐籠穩(wěn)繩鋼絲繩加緊；同時(shí)通過安裝在罐籠內(nèi)部的接近開關(guān)檢測其與罐籠主體產(chǎn)生的位移。

從機(jī)械監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖中來分析，罐籠主體A通過懸掛器E、首繩C被提升機(jī)電控系統(tǒng)對罐籠進(jìn)行提升和下放運(yùn)行[12]。罐籠主體與懸掛器軸體固定連接[3]。松繩保護(hù)裝置與監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 松繩保護(hù)裝置與監(jiān)測結(jié)構(gòu)

在正常情況下(即提升系統(tǒng)無松繩情況)，由于罐籠的自重和其中的載物重量將罐籠主體A相對向下壓，懸掛首繩拉緊，懸掛裝置E逆時(shí)針轉(zhuǎn)動并拉動彈簧使緩沖彈簧D發(fā)生彈性形變而拉伸，從而使罐籠主體A與懸掛器臂a產(chǎn)生相對位移。懸掛器臂比較長，相對位移量也大，當(dāng)懸掛器轉(zhuǎn)動一個小的角度時(shí)，根據(jù)杠桿原理，杠桿臂越長杠桿的端的移動位移越大，所以采用懸掛器臂帶動防墜器[13]。當(dāng)提升系統(tǒng)罐籠發(fā)生松繩時(shí)，彈簧靠自身彈力拉動懸掛器順時(shí)針轉(zhuǎn)動帶動懸掛器臂a向上移動，懸掛器臂a撥動防墜器的楔形[6]塊向上發(fā)生位移加緊穩(wěn)繩，實(shí)現(xiàn)罐籠的防墜機(jī)械保護(hù)[4](如圖3所示)。

圖3 罐籠防墜楔形結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)電氣原理

當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)瞬間出現(xiàn)松繩現(xiàn)象時(shí)，安裝在罐籠內(nèi)部的懸掛器發(fā)生動作轉(zhuǎn)動，松繩檢測接近開關(guān)被觸發(fā)動作，觸發(fā)其信號通過數(shù)字無線網(wǎng)橋發(fā)出松繩信號，接收端接收到松繩信號，同時(shí)將松繩保護(hù)信號送入提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)處理。

罐籠松繩電氣檢測分為地表和罐籠內(nèi)設(shè)備(松繩保護(hù)電氣原理圖如圖4所示)。罐籠內(nèi)的電氣檢測設(shè)備包括電池、欠壓檢測模塊、信號采集模塊、無線網(wǎng)橋模塊和松繩檢測開關(guān)等。地表設(shè)備包括交換機(jī)、信號采集模塊、電源模塊和提升系統(tǒng)等。

圖4 松繩保護(hù)電氣原理

罐籠內(nèi)，根據(jù)以上分析原理，當(dāng)罐籠系統(tǒng)發(fā)生松繩時(shí)，松繩檢測開關(guān)發(fā)生動作，將信號送給信號采集模塊，采集模塊通過數(shù)據(jù)處理把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，再送給無線網(wǎng)橋模塊，通過無線網(wǎng)橋系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送到地表，實(shí)現(xiàn)罐籠系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢測和采集。

松繩檢測信號傳送到地表后，數(shù)據(jù)進(jìn)入信號采集模塊，通過采集模塊的數(shù)據(jù)處理，將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)對松繩檢測信號的實(shí)時(shí)顯示[9]。同時(shí)，無線網(wǎng)橋模塊連接到交換機(jī)，通過交換機(jī)與電控系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)松繩檢測和提升機(jī)PLC運(yùn)行信號的聯(lián)鎖控制[5]。并且在上位機(jī)和管理系統(tǒng)中心可實(shí)時(shí)的對松繩檢測狀態(tài)進(jìn)行查看和檢測。

同時(shí)，罐籠內(nèi)也實(shí)時(shí)對供電電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過信號采集模塊和無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳送到地表控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對罐籠松繩保護(hù)系統(tǒng)電源的監(jiān)測。當(dāng)電壓低于額定值時(shí)，地表報(bào)警箱將實(shí)現(xiàn)電壓報(bào)警，確保地表人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測電源情況；保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)供電電源解決方案

由于罐籠為移動設(shè)備，自身無法提供電源，因此為實(shí)現(xiàn)電氣松繩保護(hù)需要在罐籠內(nèi)增加可持續(xù)性電源。該方案采用電池與自動無線充電方式[8]實(shí)現(xiàn)罐籠內(nèi)的自動供電和充電如圖5、圖6所示。充電器由發(fā)射端和接收端組成，其原理是將傳統(tǒng)變壓器的感應(yīng)耦合磁路分開，實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)載之間不需要機(jī)械連接(比如電源線) 進(jìn)行能量傳遞[11]。系統(tǒng)主要分為：初級變換器、感應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)、次級變換器三部分。其特點(diǎn)是工作頻率和諧振系統(tǒng)的頻率是不一致的，控制方式可以使調(diào)頻、定頻移項(xiàng)、占空比，或者混合方式。

圖5 電磁感應(yīng)式無線電力傳輸

圖6 罐籠無線充電原理

4.1 發(fā)射端配置

支持最大傳輸功率：100W；輸入電壓：寬電壓輸入，輸入電壓范圍：12～24VDC±5% (可接AC220V/24V電源變換器)；系統(tǒng)工作頻率：100～150kHz；

工作距離：6mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；傳輸效率：實(shí)測90%(接收端輸出24V，4.2A，功率100W)；水平方向：偏離中心±3mm；垂直方向：2～5mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；通信功能：發(fā)射端可以根據(jù)接收端的功率實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射功率。

4.2 接收端配置

支持最大傳輸功率：100W；輸出電壓：12V；輸出電壓可調(diào)，可以輸出5～24V；輸出電流：24V/Max 4.2A(Max 100W)；工作頻率：100～150kHz；工作距離：5mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；傳輸效率：實(shí)測90%(接收端輸出24V，4.2A)。

4.3 電源功率計(jì)算及配置

本設(shè)計(jì)電源采用磷酸鐵鋰電池(12.8V)供電，電池電壓：12.8V，功率：40AH。由以上100W的無線充電方案充電，充電電流為7A。在電池充滿時(shí)，期間沒有任何充電可供罐籠內(nèi)設(shè)備時(shí)(功率12W)～1.25AH，正常運(yùn)行32h。

根據(jù)技術(shù)要求的罐籠使用情況和時(shí)間情況，罐籠在井口及各水平期間足可以將電池運(yùn)行放電補(bǔ)充回來，實(shí)現(xiàn)無人參與的無線自動供電。

5 使用效果

新型的提升機(jī)松繩保護(hù)裝置，對提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的松繩保護(hù)將起到至關(guān)重要的作用。與此前的松繩保護(hù)相比，實(shí)現(xiàn)了真正的松繩保護(hù)監(jiān)測，能在最快的時(shí)間內(nèi)將松繩保護(hù)信號送入提升機(jī)電控，達(dá)到對罐籠系統(tǒng)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的保護(hù)[7]。

此技術(shù)在礦山提升機(jī)投入應(yīng)用以來，安全運(yùn)行已2000多個小時(shí)，應(yīng)用效果良好，深得好評，得到了礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的一致認(rèn)可。經(jīng)過一段時(shí)間以來的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的松繩保護(hù)相比具有明顯優(yōu)勢，傳統(tǒng)的松繩保護(hù)采用行程開關(guān)或者觸點(diǎn)開關(guān)監(jiān)測鋼絲繩張緊狀態(tài)下和松繩后的指定方向的偏移量，罐籠鋼絲繩松繩后偏移方向具有一定的不確定性，可靠性差[15]；傳統(tǒng)的松繩保護(hù)，行程開關(guān)或者觸點(diǎn)開關(guān)只能安裝在某個監(jiān)測點(diǎn)，不能對鋼絲繩繩體全覆蓋監(jiān)測，對松繩檢測響應(yīng)時(shí)間慢；傳統(tǒng)的松繩保護(hù)，在提升機(jī)電控系統(tǒng)中僅僅顯示是否動作，不能對日常的鋼絲繩松弛量進(jìn)行直觀檢測[14]；而采用本技術(shù)的松繩保護(hù)是將正常狀態(tài)下和松繩狀態(tài)下鋼絲繩首繩和罐籠主體之間的距離進(jìn)行監(jiān)測，具有可靠性高、響應(yīng)時(shí)間快以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的提升機(jī)罐籠保護(hù)不可靠等問題，采用一種新型的罐籠保護(hù)裝置，通過直接檢測繩體與提升機(jī)系統(tǒng)罐籠的相對位置來確定提升首繩是否松動，并且通過無線傳輸將檢測點(diǎn)送到井口設(shè)備，進(jìn)行提升系統(tǒng)的機(jī)械和電控控制。通過將保護(hù)裝置安裝在移動過程中的罐籠內(nèi)部，以罐籠主體與其懸掛裝置之間的彈簧在提升機(jī)松繩前后發(fā)生的形變準(zhǔn)確檢測其松繩情況，最終快速將信號通過無線方式發(fā)送到提升保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行快速處理的目的，從而提高了礦山提升系統(tǒng)咽喉(豎井提升系統(tǒng))部位通道的安全性和可靠性。