礦井提升機載荷監測系統設計與應用研究

曹 勇

（霍州煤電集團， 山西 霍州 031400）

引言

隨著經濟和社會的飛速發展，能源需求總量逐年提升，煤炭作為人們生產生活必不可少的能源之一，其生產量和生產效率備受煤炭行業的廣泛關注[1]。礦井提升機作為連接煤礦地面和井下綜采工作面之間的重要紐帶，其工作的安全性和可靠性直接關系著煤炭掘進能否正常開展，必須引起高度重視[2-3]。礦井提升機使用過程中經常出現過卷、卡罐、斷繩等故障，研究表明，出現故障的原因之一是超載，有必要對提升機載荷進行限制，同時，《煤炭安全規程》對提升超載提出了相關要求，嚴禁礦用提升機超載運行[4-5]。因此，基于某煤礦礦用提升機現有控制系統現狀，開展礦井提升機載荷監測系統設計與應用研究工作，對于提高提升機工作的可靠性和煤炭的產量具有重要意義。

1 現有載荷監測系統概況

載荷監測系統已有相關研究和應用[6]，取得了一定的應用效果，但也存在不足之處。載荷監測系統的硬件系統工作性能較差，使用時經常出現載荷監測不準的情況，存在安全隱患。同時，供電系統存在發熱、功耗較大，無線數據傳輸能力受限，不適應煤礦深井通訊。軟件系統進行載荷監測過程中多采用8 位單片機，數據處理能力較小，不能滿足載荷數據處理分析的要求，無線數據處理速率較低，不能達到數據實時采集的目的，監測數據準確定較差。因此，針對以上載荷監測系統存在的不足，需要從硬件和軟件兩部分入手，開展穩定的提升機載荷監控系統的設計與應用研究工作。

2 監測系統結構

根據提升機原有控制系統和當前載荷監測系統存在的問題，完成了載荷監控系結構設計，如圖1 所示。系統設計基于液壓缸的油壓變送法，具有很好的數據采集與傳輸功能。為了便于現場操作人員安全作業，系統在設備運行操作室設計了實時顯示和報警提示裝置，為了實現井下提升機運行參數的實時顯示，在井筒與運行操作室之間設計了無線通信系統。由圖1 可以看出，系統的主要組成部分包括信號采集、數據通信和上位機等。

圖1 載荷監測系統結構

3 硬件設計

3.1 傳感器選型

載荷監測系統功能實現的主要外設是傳感器，對壓力變送器的選型主要根據其輸出信號類型、輸出電壓等參數，結合提升機載荷監測系統實際需求，以及液壓缸所處的工作情況，選擇了型號為NS-P-I7 的壓力變送器。相關數據顯示，該壓力變送器具有EMC 檢測報告，經過了嚴格的溫濕度檢測，安全防護等級為IP65/IP67，可輸出直流24 V 的數字量信號，具有很好的可操作性和精度，滿足礦井提升機載荷監測系統的設計要求。實物如圖2 所示。

圖2 壓力變送器

3.2 數字量隔離

工業中使用較為廣泛的是數字量信號，主要由傳感器實時采集得到，包括提升機液壓缸的上下限位、罐籠閘門開閉、轎廂到位信息等，系統配置了十六路數字信號采集接口，信號為DC24 V 的開關量。數字量隔離采用光耦隔離，主要由于數字量電路極易出現超出單片機的最大灌入電流，采用光耦隔離方法，就能確保單片機處理數字量信號時的電壓匹配。

3.3 模擬量隔離

傳感器采集數據的準確性取決于線性度，是提升機載荷監測系統設計的重點對象。載荷監測系統能夠識別的是4～20 mA 電流信號，包括壓力變送器采集得到的信號。系統選擇的STM32F103VET6 單片機配置了12 路模擬量信號接口，其數據采集精度遠高于傳統的ADC 芯片，采用電壓僅為0～3.3 V，因此需要對傳感器信號進行隔離變送，如圖3 所示。

圖3 模擬量信號隔離

3.4 通信系統

載荷監測系統通信包括無線通信和有線通信兩部分，無線通信模塊選擇AS62-T30，具有很好的擴頻性能和較遠的通訊距離，與此同時，具有功耗低、發熱量小等優點。有線通信的選型要滿足遠距離傳輸要求，同時還要組網便捷，硬件結構組成涉及將TTL 轉化為RS485 的無線接收轉換裝置、將RS485 轉換為RS232 的模塊。前者主要是將TTL 信號轉化為RS485信號，實現井口至操作機房長距離信號傳輸。后者主要是將RS485 信號轉化為RS232 信號，實現與工控機的信息傳輸。載荷監測系統通信協議轉換模塊選擇UT-217E，具有較強的光電隔離性能，兼容多種通訊協議，不需要單獨供電。

4 軟件設計

4.1 下位機

根據礦井提升機載荷監測系統設計目的及硬件結構，完成了系統下位機配置軟件界面，如圖4 所示。由圖4 可以看出，軟件具有計算機串口配置參數設置功能，包括端口編號、波特率、數據位、校驗方式和停止位等，使其能夠匹配載荷監測數據采集接收板。復選框的存在，可以根據需要選擇合適的通道和外設進行監測，同時也能夠選擇特定的無線發送數據。點擊寫入按鍵，就能將編制好的界面配置參數傳輸至單片機內部。點擊讀出按鍵，可以將系統外設運行的狀態讀入下位機配置界面，實現數據的雙向讀寫。系統配置準確與否主要取決于下位機配置軟件與單片機通信的可靠性，必須采用合適的通信協議，才能實現數據的實時可靠傳輸，實現提升機載荷監測并實時顯示的目的。

圖4 下位機配置軟件界面

4.2 上位機

人機交互界面作為提升機監測系統的重要組成部分，主要負責實時顯示提升機載荷數據，同時，監控人員也能夠根據載荷實時數據進行遠程的警告或者控制?；谏鲜鲎饔煤拖到y要求，完成了載荷監測系統上位機主界面的設計，如圖5 所示。主界面內涉及兩側提升容器的監測信息，如系統參數、監控界面、歷史查詢與幫助使用等。其中系統參數包含串口參數設置、液壓缸直徑參數設置和串口通訊數據長度設置等。與此同時，載荷監測系統上位機主界面中還具有實時顯示鋼絲繩張力數據的波形圖、載重量顯示、運行深度顯示、卡罐提示、通訊故障提示、未卸凈提示、過載提示、停車提示、220 V 電源提示以及聲光報警啟停等功能。

圖5 提升機載荷監測系統主界面

5 應用效果評價

為了驗證礦井提升機載荷監測系統的可行性，將其應用于某煤炭企業的提升機中進行試運行，對系統運行情況進行為期3 個月的跟蹤記錄。結果顯示，系統運行穩定可靠，實現了提升機載荷實時監測的效果。載荷監測系統的應用，提升了提升機近8%的有效工作時間，減少了近5%的故障排查時間，節約了提升機運行維護成本，提高了煤炭企業的產量和生產效率，預計每年可為煤炭企業新增近30 萬元的經濟效益，取得了良好的應用效果。