煤礦提升機載荷動態實時監測系統設計與應用

徐巧格，謝 娜

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000； 2.咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

隨著我國煤礦逐漸向深部開采，不僅加大了礦井的提升負擔，而且提高了提升系統的安全要求。由于煤礦提升機主要任務是運輸物資和人員，需要頻繁啟停提升機，使得煤礦提升機具有勻速、加速、減速的周期性。但是由于礦井所處的地理環境較復雜，產出的煤的容重、黏滯性變化較大，會造成罐籠卸載滯煤現象，當未發現進行“二次裝載”，會造成鋼絲繩斷裂和墜罐的發生。因此，需要對煤礦提升機載荷進行在線監測，并進行控制和記錄。隨著我國數字化技術和傳感信息技術的快速發展，鋼絲繩張力監測技術已經趨于自動化和功能化。國內外學者對其進行了諸多研究，文獻[1-2]利用顆粒阻尼減振傳感器，研究了鋼絲繩張力及載荷的動態監測，通過阻尼耗能，有效耗散了鋼絲繩耦合振動引起的載荷沖擊，濾除了鋼絲繩張力信號中的噪聲，更精確地實現了對鋼絲繩張力及提升載荷的測量；文獻[3]研究了主井提升機載荷動態無線監測系統，系統可以對主井提升系統裝載量超限、張力不平衡、卸載余煤量超限等故障進行診斷。鑒于此，本文研究了煤礦提升機載荷動態實時監測系統，研究保障了煤礦提升機的安全穩定運行。

1 系統功能要求及需解決問題分析

(1)功能要求[4]。在進行煤礦提升機載荷動態實時監測系統設計時，需要充分考慮煤礦安全的要求。系統應具有的功能要求為：①能夠對鋼絲繩張力進行實時監測。能夠任意時刻讀取鋼絲繩張力值，輸出具體的圖像和具體數據，并可以實時儲存采集的數據，便于計算實時的提升機載荷；當發生故障時，可以及時發出警報，停止煤礦提升機的運行，確保提升機的安全運行。②能夠對提升機的載荷和鋼絲繩張力差進行實時監測。根據測得的鋼絲繩張力，計算出總載荷量，然后得出提升機罐籠的靜載荷，從而實現提升機載荷的實時監測；需要對提升機鋼絲繩張力差進行計算，得出鋼絲繩的張力平衡情況。

(2)需解決問題[5-6]。在滿足系統功能的前提下，應該還需解決的問題：①由于礦井井筒環境較為復雜，會對無線信號傳輸產生影響，在系統設計時，應增加泄漏電纜，確保無線信號的準確性和實時性；②根據煤礦安全要求，系統硬件應能適應惡劣的環境，在設計系統電路時，應考慮電磁抗干擾設計；③由于提升機罐籠在卸載和轉載過程中會產生不規律抖動，致使張力平衡裝置的油壓產生不規律變化，當進行下位機設計時，需要考慮這些數據波動，避免誤報警或誤判斷。

2 提升機載荷監測方法分析

煤礦提升機載荷動態實時監測系統的設計主要是對傳感器的選型和安裝位置的選擇，傳感器的承載能力>10倍的實際載荷。在考慮鋼絲繩強度和鋼絲繩破壞基礎上，將位移傳感器安裝在平衡油缸上來監測油缸的位移，從而監測鋼絲繩的張力情況。在煤礦提升機載荷動態實時監測系統中，將油壓傳感器串聯安裝在液壓自動平衡裝置，用于控制油壓傳感器的通斷與控制自動平衡裝置，便于傳感器的更換與維修。油壓傳感器現場安裝如圖1所示。

圖1 油壓傳感器現場安裝示意Fig.1 On-site installation of oil pressure sensor

3 系統總體方案設計

在油缸頂部和平衡油缸法蘭上安裝位移傳感器，在煤礦提升機平衡油缸旁邊安裝油壓傳感器，將采集的位移和油壓電壓信號通過數據采集裝置與無線模塊實現處理和發送，采用RS485/232轉換器把信號傳輸至上位機。上位機通過Lab View監測程序，對接收到的信號進行分析和處理，當監測到系統過載或者發生故障時，將發出聲光報警，然后通過繼電器切斷煤礦提升機安全回路，達到停車的目的。煤礦提升機載荷動態實時監測系統結構[7-8]如圖2所示。

圖2 煤礦提升機載荷動態實時監測系統結構Fig.2 Dynamic real-time monitoring system structure of coal mine hoist load

(1)通信系統。通信系統主要由終端負載、泄漏電纜組成。泄漏電纜(無線數據接收天線)沿著井壁鋪設，將采集的數據傳輸到接收裝置，經過轉換器傳輸至上位機，對數據進行處理和分析。

(2)位移和油壓數據采集發射裝置。將位移和油壓數據采集發射裝置安裝在2個罐籠頂端，發射裝置主要由防爆外殼、供電電池、無線通信模塊、采集電路板組成。

(3)工控機。該設備是系統故障診斷和數據處理的中樞，能夠完成數據的分析、串行接收、記錄、報警、顯示。

(4)罐籠行程監測裝置。主要由數據處理電路板、繼電器、接近開關、霍爾傳感器組成，利用霍爾傳感器對滾筒轉數進行監測，計算出罐籠實時的行程。

4 系統通信方案設計

系統通信方案的設計主要包括上位機通信、數據采集發射裝置與泄漏系統通信。

(1)上位機通信。上位機需要完成和基地臺、井口大屏幕顯示裝置、罐籠行程監測裝置的通信，煤礦提升機載荷動態實時監測系統的上位機主要是工控機，具有強大的數據處理能力，能夠對數據進行記錄、顯示、計算和處理[9-10]。本文采用RS485和RS232串行通信方式來完成其他設備與上位機間的數據傳輸。上位機與數據采集發射裝置通信流程如圖3所示。

圖3 上位機與數據采集發射裝置通信流程Fig.3 Communication process between the host computer and the data acquisition and launch device

(2)數據采集發射裝置與泄漏系統通信。數據采集裝置主要采用無線通信，并安裝在罐籠上。由于無線信號在數據傳輸中距離過短，需要采用泄漏系統進行通信，信號經過泄漏電纜傳輸到接收裝置。該方式具有準確度高、效率高等特點。本系統無線通信波特率選取2 400 bit/s。泄漏同軸電纜結構如圖4所示。

圖4 泄漏同軸電纜結構Fig.4 Leaky coaxial cable structure

5 監測系統的硬件設計

5.1 數據采集發射與接收裝置

煤礦提升機載荷動態實時監測系統下位機硬件主要由上位機、RS485/232轉換器串行通信擴展、罐籠行程裝置、泄漏通信系統和油壓位移數據采集發射裝置組成。采集發射裝置主要由供電電池、無線通信模塊、數據采集存儲電路組成[11]。

(1)數據采集電路。數據采集電路主要采用STM32CBT6型單片機，系統輸出的信號為4～20 mA的電流信號，能夠驅動16位8通道AD7708型數模轉換器。系統選擇油壓傳感器量程為1～40 MPa，對應A/D轉換誤差為0.000 6 MPa；位移傳感器的量程為80～5 000 mm，對應A/D轉換誤差為0.075 mm。數據采集發射裝置電路功能框架如圖5所示。

圖5 數據采集發射裝置電路功能框架Fig.5 Circuit function framework of data acquisition and transmission device

(2)數據存儲電路。采集板將收集到的位移數據和油壓數據經過A/D轉換，采用STM32的SPI接口技術，將數據存儲到SD卡。

(3)無線通信模塊。本文采用TDX868A無線數據傳輸模塊，該模塊具有穩定可靠、安裝方便、收發一體等特點，采用頻率合成技術，能夠提供RS485、RS232、TTL接口。

(4)供電電池。本文選用磷酸鐵鋰電池作為移動電源，用于數據采集發射裝置的供電電池，電壓等級為14.6 V，容量為60 Ah。并通過5 V穩壓單元和24 V升壓模塊得到5 V和24 V作為單片機、位移傳感器和油壓傳感器的電源。

(5)數據接收裝置。數據接收裝置主要由泄漏電纜、無線傳輸模塊和變壓電路板構成，使用泄漏電纜接收無線信號，安裝在井口，并通過RS485通信電纜傳輸到上位機。

5.2 罐籠行程監測裝置

罐籠行程監測裝置用于實時采集罐籠的行程信號，安裝在提升機絞車房內，能夠完成以下功能：①可以控制開車回路通斷，當監測參數超限時，系統發出報警警示并切斷開車回路；②能夠實時監測提升罐籠的位移，在提升機轉動軸上安裝雙霍爾傳感器和磁鋼，用于監測鋼絲繩的下放或提升的長度及運行速度；③對罐籠到位開關量信號進行實時采集，以獲取精確的到位信息。罐籠行程監測裝置程序流程如圖6所示。

圖6 罐籠行程監測裝置程序流程Fig.6 Cage stroke monitoring device program flow

雙霍爾傳感器脈沖信號的最高頻率為100 kHz，通過計數器來實現雙霍爾傳感器信號的檢測脈沖電平的變化，對脈沖個數進行加減操作。脈沖計數程序流程如圖7所示。

圖7 脈沖計數程序流程Fig.7 Pulse counting program flow

5.3 大屏幕顯示裝置

大屏幕顯示裝置采用LED顯示屏，能夠顯示主副罐籠的剩余電量和主副罐籠的靜載荷等，LED和上位機的數據通信協議見表1，利用上位機LabVIEW串口，把監測的數據發送到顯示電路板。

表1 LED和上位機的數據通信協議Tab.1 Data communication protocol between LED and host computer

5.4 抗干擾措施

(1)電路的抗干擾分析。電路的抗干擾設計有很多，目前常采用的有3種：提高敏感元件的抗干擾能力、切斷干擾傳播的路徑和抑制干擾源。

(2)消除電磁干擾。主要采用的措施：①合理的導線寬度。電感的大小和導線的長度呈正比，和寬度呈反比，在選擇電路布線寬度時，應選用短粗的導線。②合理的布線策略。在布線時，當數據采集板電路中信號走線應采用相鄰兩層走線且平行走線，減小分布電容和導線電感。

6 結語

根據系統功能要求及需解決問題，設計了煤礦提升機載荷動態實時監測系統與系統通信方案，研究了監測系統的硬件，主要為數據采集發射與接收裝置、罐籠行程監測裝置、大屏幕顯示裝置，并分析了抗干擾措施。