基于無線傳輸的提升機載荷監測系統設計與分析

張彥輝

（山西煤炭進出口集團洪洞陸成煤業有限公司，山西 臨汾 041600）

麗景煤業目前使用的是多繩摩擦提升機，提升機最大提升高度485.3 m，提升速度7.15 m/s，提升載荷16 t，滾筒直徑2.5 m，井筒內采用四車鋼軌道罐籠。在運行過程中，鋼絲繩和襯墊之間相互摩擦造成鋼絲繩出現不同程度的磨損，加上提升機超負荷裝載和重復裝載使其動力嚴重不足，造成提升速度緩慢，甚至出現斷繩情況，降低了提升機的使用壽命[1-3]。因此，需要設計一種提升機載荷監測系統，對運行過程中鋼絲繩的載荷變化情況進行實時監測，從而提高提升機的效率，確保礦井的安全生產。

1 總體方案設計

提升機載荷監測系統的整體結構包括上位機、數據采集裝置、無線數據接收裝置、罐籠行程監測裝置等部分，監測系統結構如圖1[4]。其中，油壓傳感器主要是控制油壓傳感器的通斷，將傳感器串聯在液壓自動平衡裝置上，便于及時更換和維修傳感器。位移傳感器安裝在平衡油缸頂部的法蘭上，通過數據采集裝置將采集到的位移和電壓信號發送，經無線數據接收裝置對數據進行處理后，采用RS485/232 轉換器將信號傳輸到上位機。在上位機上，通過Lab View 程序，對接收的信號進行分析和處理，如果系統出現過載或發生故障，系統會發出聲光報警，通過切斷繼電器達到停車目的[5-6]。

圖1 煤礦提升機載荷動態實時監測系統結構

2 硬件設計

2.1 上位機

上位機主要是連接基地、大屏幕顯示裝置以及罐籠行程監測裝置的通信，采用RS485 和RS232 串行通信方式進行數據傳輸，具有強大的數據處理能力，能及時對數據進行記錄、顯示和處理[7]。

2.2 數據采集裝置

數據采集裝置主要是實時采集油壓數據并傳輸油壓信號，以ATmega8L 型單片機為核心[8-9]，在單片機中配置10 位模數轉換器，連通8 道模擬復用裝置，可以同時采集8 路單端輸入電壓，其中油壓傳感器的量程為1～40 MPa，位移傳感器的量程為80～5000 mm。在液壓自平衡裝置上采用快速接頭連接油壓感應裝置，以采集鋼絲繩的輸出電壓和供電量，并將相關數據在通訊電路下傳輸到無線數據接收裝置。

2.3 無線數據接收裝置

無線數據接收裝置采用TDX868A 模塊，安裝方便，穩定可靠，能實現收發一體化，采用頻率合成技術，為其他通信提供接口[10]。

2.4 罐籠行程監測裝置

罐籠行程監測裝置安裝在提升機的絞車房，便于實時采集罐籠行程信號，控制開車回路的通斷。當監測參數超限時，系統發出報警并立即切斷開車回路，通過霍爾傳感器對鋼絲繩的下放或提升長度進行監測，實時采集罐籠的到位開關量信號，獲取精確位置信息。

3 軟件設計

監測系統采用無線數據接收裝置進行數據傳輸，采用分時通訊法對采集數據進行通訊。在作業過程中，上位機對無線數據接收裝置發出指令，并將命令傳輸到油壓采集裝置中，采集裝置將采集數據發送到上位機，通過循環操作，對油壓信號進行實時監測。

3.1 數據采集程序設計

系統接通電源后，數據采集裝置循環采集提升機上各鋼絲繩的張力信號和供電信號。主程序中采用濾波均值算法，將采集作業中的干擾信號剔除，每完成10 次采集數據求取一次平均值，最終得到采集信號，對信號進行異或運算后將數據發送。數據采集和發送流程圖如圖2。

圖2 數據采集和發送流程圖

3.2 上位機軟件設計

監測系統的上位機采用Lab View 編程，通過人機交互界面實現上位機和操作人員的互通，在交互界面上有用戶管理、數據收發、數據處理、數據顯示和記錄、狀態預警等模塊。在運行過程中，上位機通過VISA 節點與下位機進行通訊，在軟件中對提升機鋼絲繩的信號進行綜合分析，一旦發現有異常地方，監測系統立即發出警報，并顯示故障類型和區域，將相關數據進行記錄存儲，為后期的類似故障提供依據。

4 效果分析

采用Adams 軟件模擬提升機運行階段的鋼絲繩張力變化特性，通過獲取提升機運行階段的鋼絲繩張力，將仿真得到的數據與實際工作中的數據進行對比，驗證監測系統的準確性。提升機運行階段張力曲線仿真數據如圖3。

圖3 提升機運行階段張力曲線仿真數據示意圖

從圖3 中可以看出，隨運行時間的增加，提升機鋼絲繩的張力逐漸增大。提升機的加速度不同，仿真模型也不同，為了保證模擬整個模型的連續性，將尾繩的彈簧鋼度和質量等效成時變函數，模擬不同工況條件下鋼絲繩應力與提升時間的仿真曲線，得到仿真數據曲線和實際數據曲線如圖4。

圖4 提升機鋼絲繩應力數據曲線對比圖

從圖4 可以看出，仿真數據曲線和實際監測的數據曲線變化趨勢大體相同。將設計的系統應用在麗景煤業中，通過現場實際應用，系統運行一切正常，通過實時監測并判斷故障，減輕了工人勞動強度，保護了設備安全，提高了工作效率，為企業創造了經濟效益。因此，提升機運行階段鋼絲繩張力變化符合實際，設計的提升機監測系統能采集到精準的張力數據，可以有效模擬提升機載荷變化情況。

5 結論

（1）采用無線傳輸技術設計提升機監測系統，實時監測提升機的運行載荷，通過人機交互界面，對用戶管理、數據收發、數據處理、數據顯示和記錄、狀態預警等模塊進行顯示，準確記錄相關數據，提高提升機運行的安全性。

（2）采用Adams 仿真軟件，對設計的提升機載荷監測系統進行仿真試驗，通過提取載荷數據，與實際工作條件下的載荷數據進行對比，設計的提升機監測系統能采集到精準的張力數據，可以有效模擬提升機載荷變化情況。