礦用絞車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及安全保障技術(shù)研究與應(yīng)用

趙 炎

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

礦用絞車作為負(fù)責(zé)煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，因其復(fù)雜的工作環(huán)境及安全可靠性方面的較高要求，需采用全面、智能化的監(jiān)測(cè)技術(shù)及手段對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。目前多數(shù)煤礦所采用的絞車監(jiān)控系統(tǒng)多采用直線式管理網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)兼容性及通用性較差，且功能較為單一。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，絞車事故中因鋼絲繩斷裂及車速控制不當(dāng)導(dǎo)致的剎車失靈，造成斷繩傷人事故比重較大，因此需采用監(jiān)測(cè)及安全保障手段有效提高當(dāng)前絞車監(jiān)控系統(tǒng)性能。

針對(duì)上述問(wèn)題，著重對(duì)礦用絞車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及安全保障技術(shù)進(jìn)行了研究，在傳統(tǒng)絞車監(jiān)控系統(tǒng)基本檢測(cè)功能上增加鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)、車速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)控制功能，通過(guò)對(duì)張力傳感裝置的選型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車鋼絲繩張力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及超限預(yù)警，有效避免因鋼絲繩張力過(guò)大導(dǎo)致的鋼絲繩斷裂問(wèn)題出現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)增加了對(duì)絞車的車速、位置及姿態(tài)等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)進(jìn)一步提高了絞車運(yùn)行可靠性，并采用無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，有效提高絞車監(jiān)控智能化水平。

1 礦用絞車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及保護(hù)方案

礦用提升絞車是指滾筒直徑在1.6 m 及其以下的礦井提升運(yùn)輸設(shè)備，與滾筒直徑2 m 以上的大型提升機(jī)不同，其提升容量較小、保護(hù)功能較少，不具備較全面自監(jiān)測(cè)功能。本文研究對(duì)象為單繩纏繞式絞車，在運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩斷裂事故頻發(fā)，危害較大，現(xiàn)配備的監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)范圍及自動(dòng)化程度方面均存在一定缺陷：

1）控制結(jié)構(gòu)及通信手段落后。現(xiàn)有絞車監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)TDK 控制方式，系統(tǒng)控制精度較低，通訊網(wǎng)絡(luò)性能不完備，信號(hào)傳輸速度滯后。

2）缺乏有效的鋼絲繩張力檢測(cè)手段。原系統(tǒng)所采用的電容式壓力傳感器，負(fù)載能力較差，當(dāng)運(yùn)量較大時(shí)檢測(cè)誤差較大，靈敏度較差。

3）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能單一。絞車在運(yùn)行過(guò)程中未實(shí)現(xiàn)全方位多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，缺少對(duì)絞車運(yùn)行車速、停車位置及姿態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種結(jié)合鋼絲繩張力檢測(cè)、車速及位置檢測(cè)、姿態(tài)檢測(cè)等多種功能于一體的礦用絞車監(jiān)測(cè)保護(hù)方案，并采用PLC 替代傳統(tǒng)繼電器，運(yùn)用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 礦用絞車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集設(shè)備、通訊設(shè)備及地面監(jiān)控中心三部分組成。其中：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集設(shè)備由安裝于車身及滾筒上的張力傳感器、三軸加速度傳感器及霍爾傳感器組成，用于實(shí)時(shí)采集絞車鋼繩張力、車身姿態(tài)及位置、車速等數(shù)據(jù)。通訊設(shè)備由井下無(wú)線通信基站、車載信號(hào)收發(fā)器及光纖網(wǎng)絡(luò)組成。各無(wú)線基站與絞車間的交互采用無(wú)線傳輸方式，由車載信號(hào)收發(fā)器接收傳感器信號(hào)后通過(guò)無(wú)線基站上傳。為保證通信質(zhì)量，無(wú)線基站通過(guò)光纖與地面監(jiān)控中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)與控制指令的上傳下達(dá)。地面監(jiān)控中心由集成PLC 控制柜、硬盤(pán)錄像機(jī)及上位機(jī)組成，用于井下絞車的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

2 絞車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲繩張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

對(duì)絞車鋼絲繩張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是避免發(fā)生鋼絲繩斷裂、松繩等事故的關(guān)鍵手段。本文提出的方案為采用可靠性及精度高、測(cè)量范圍大的軸銷式測(cè)力傳感器對(duì)絞車鋼絲繩張力進(jìn)行測(cè)量，并以電信號(hào)形式將張力信號(hào)傳輸至上位機(jī)，通過(guò)設(shè)置張力閾值控制鋼絲繩拉力維持在正常水平，當(dāng)張力值超限時(shí)發(fā)出報(bào)警并執(zhí)行制動(dòng)指令，保證絞車運(yùn)行安全。

按照鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)方案對(duì)張力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼絲繩張力信號(hào)采集由軸銷式測(cè)力傳感器完成，張力信號(hào)轉(zhuǎn)換及傳輸通過(guò)車載信號(hào)收發(fā)器、無(wú)線基站及光纖組成的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，最終將信號(hào)上傳至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與超限預(yù)警。鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 絞車鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，PLC 控制器將對(duì)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸而來(lái)的鋼絲繩張力信號(hào)進(jìn)行不間斷掃描，并與上位機(jī)設(shè)置的鋼絲繩張力閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)張力值超出最大限值時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并由PLC 控制繼電器對(duì)絞車進(jìn)行制動(dòng)，停車后由語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出人員撤離通知。當(dāng)張力檢測(cè)值為0時(shí)發(fā)出松繩報(bào)警信號(hào)，同樣由PLC 控制絞車安全制動(dòng)。

2.2 車速及行駛位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

相比于鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)，對(duì)絞車運(yùn)行位置及車速的監(jiān)測(cè)同樣十分重要。若發(fā)生鋼絲繩斷裂等事故，絞車運(yùn)行速度將發(fā)生突變，且需確定其故障停車后的具體位置以便更快速開(kāi)展搶修救援工作。本文提出的車速及位置監(jiān)測(cè)方案為通過(guò)在絞車滾筒合適圓周位置上安裝一定數(shù)量的磁鋼及霍爾傳感器，在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)霍爾傳感器經(jīng)過(guò)各磁鋼所發(fā)生的脈沖信號(hào)對(duì)絞車前進(jìn)距離及運(yùn)行速度進(jìn)行計(jì)算。絞車位置及速度計(jì)算基本原理如下：

（1）記錄霍爾傳感器經(jīng)過(guò)相鄰磁鋼時(shí)兩個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔。

（2）通過(guò)滾筒圓周長(zhǎng)度及兩磁鋼間的弧長(zhǎng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鋼絲繩下放長(zhǎng)度。

（3）通過(guò)兩個(gè)脈沖信號(hào)間對(duì)應(yīng)的鋼絲繩下放長(zhǎng)度計(jì)算出絞車運(yùn)行過(guò)程中的前進(jìn)距離，通過(guò)記錄的絞車初始位置即可得到滾筒停止時(shí)絞車的具體位置。

（4）通過(guò)將兩個(gè)脈沖信號(hào)間所對(duì)應(yīng)的鋼絲繩下放長(zhǎng)度除以其脈沖間隔，即可得到絞車當(dāng)前運(yùn)行速度。

2.3 絞車姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

為有效避免絞車在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生傾斜傾倒等事故，需對(duì)絞車在運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文采用三軸加速度傳感器對(duì)絞車運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)還可根據(jù)測(cè)量絞車重力加速度傾斜分量得到其實(shí)時(shí)加速度，進(jìn)一步計(jì)算得鋼絲繩拉力，當(dāng)拉力為0 時(shí)可判斷此時(shí)絞車發(fā)生斷繩故障并進(jìn)行安全制動(dòng)，可作為張力監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的后備保護(hù)。姿態(tài)監(jiān)測(cè)及防傾倒原理如圖3 所示。

圖3 絞車姿態(tài)檢測(cè)原理

由圖可知，當(dāng)絞車沿X 軸方向正常行駛時(shí)，由三軸加速度傳感器所采集到的Y 軸加速度分量基本為0，此時(shí)絞車運(yùn)行平穩(wěn)，未向兩側(cè)發(fā)生傾斜。當(dāng)Y 軸加速度分量增大時(shí)，說(shuō)明絞車已沿兩側(cè)Y軸方向發(fā)生傾斜，當(dāng)增大到系統(tǒng)設(shè)置上限時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警并執(zhí)行安全制動(dòng)操作，防止絞車發(fā)生傾倒事故。

3 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的絞車監(jiān)測(cè)及保護(hù)方案的可行性及系統(tǒng)應(yīng)用效果，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)投運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。試運(yùn)行期間，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好，監(jiān)測(cè)功能能夠可靠實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車鋼絲繩張力、車速、車輛行駛位置、車身姿態(tài)等參數(shù)的綜合監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行所在斜井角度為20°，斜井垂直高度45 m，斜井長(zhǎng)度165 m。監(jiān)測(cè)對(duì)象為滾筒直徑1.2 m、滾筒寬度1 000 mm、電機(jī)功率75 kW 的單繩纏繞式絞車。以鋼絲繩張力監(jiān)測(cè)為例，系統(tǒng)在絞車勻速運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)鋼絲繩張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行曲線繪制，拉力測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 鋼繩拉力測(cè)量曲線

由圖可知，在絞車勻速運(yùn)行狀態(tài)下鋼絲繩拉力差最大值為0.59 kN，未超出鋼絲繩靜拉力最大值，拉力穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)語(yǔ)

新設(shè)計(jì)的礦用絞車遠(yuǎn)程多功能監(jiān)測(cè)及保護(hù)方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車運(yùn)行狀態(tài)下鋼絲繩張力等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備超限報(bào)警及安全制動(dòng)等安全保護(hù)功能，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確度較高，絞車在勻速運(yùn)行下可保持穩(wěn)定拉力，對(duì)于提高礦用絞車運(yùn)行安全穩(wěn)定性具有一定應(yīng)用價(jià)值。