楊瑞芳

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城030500）

引言

提升系統(tǒng)是保障礦井煤炭物料連續(xù)運(yùn)輸開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備之一[1]，如出現(xiàn)故障將形成安全隱患，甚至發(fā)生安全生產(chǎn)事故。通過(guò)對(duì)煤礦行業(yè)各類(lèi)生產(chǎn)事故以及故障的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，提升機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的卡罐、斷繩、過(guò)卷等安全事故，上述安全事故類(lèi)型都與提升機(jī)所受載荷有關(guān)[2-3]。因此，應(yīng)運(yùn)用提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及時(shí)對(duì)提升機(jī)鋼絲繩以及相應(yīng)受力部件進(jìn)行載荷監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)載荷異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效處置。目前提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在技術(shù)上的短板，可通過(guò)采用ARM高新技術(shù)芯片對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能進(jìn)行提升，可以使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代化煤礦大數(shù)據(jù)采集決策的發(fā)展需要[4]。

1 提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)特性分析

在設(shè)計(jì)提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前應(yīng)對(duì)提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，由于動(dòng)態(tài)特性的載荷曲線是呈波浪形式，載荷數(shù)據(jù)并非一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)提升機(jī)的鋼絲繩張力將出現(xiàn)最大值和最小值相結(jié)合的特性，在運(yùn)輸過(guò)程中受到其他部件的摩擦和加速度作用都會(huì)使載荷發(fā)生變化，因此在提升期運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性才使得載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究更具有意義。

由于提升機(jī)是通過(guò)機(jī)械和電氣設(shè)備相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)模式，在整個(gè)運(yùn)行提升過(guò)程中將產(chǎn)生5個(gè)階段，分別為加速、勻速、減速、爬升、停車(chē)階段[5]。其中在提升機(jī)加速階段的時(shí)候，鋼絲繩將受到較大的載荷張力，對(duì)于鋼絲繩的牽引性能有著較高的要求。在勻速階段的時(shí)候，整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)保持平衡，鋼絲繩的受力數(shù)據(jù)不變。在提升機(jī)進(jìn)入到減速階段的時(shí)候，鋼絲繩的張力較小[6]。此外，在爬行階段時(shí)，與提升機(jī)勻速運(yùn)行階段的特征相似，而在停車(chē)階段時(shí)候，提升機(jī)的速度較小，依靠著所裝載的煤炭物料重力進(jìn)行減速至停車(chē)狀態(tài)。提升機(jī)5個(gè)階段速度特征示意圖如圖1所示。

圖1 提升機(jī)速度特性示意圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)提升機(jī)速度特性的分析以及驅(qū)動(dòng)方式，采用以液壓缸的液壓油驅(qū)動(dòng)的提升機(jī)為研究對(duì)象。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨著提升機(jī)各個(gè)部件的移動(dòng)能夠及時(shí)采集和傳送數(shù)據(jù)，在后臺(tái)監(jiān)控室的上位機(jī)和各個(gè)工作面的傳感器之間都能有信號(hào)的傳送，設(shè)計(jì)出整體載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架示意圖如圖2所示。

圖2 提升機(jī)在線載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架示意圖

采用ARM芯片作為核心部件，實(shí)現(xiàn)各傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸、電路集成、信號(hào)發(fā)射的功能。ARM的STM33芯片是目前工業(yè)領(lǐng)域采用的先進(jìn)芯片，是載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件高效運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)部件。

此外，在對(duì)載荷數(shù)據(jù)信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選用防爆元器件并進(jìn)行電氣隔離，綜合設(shè)計(jì)出采集電路為16路的數(shù)字采集通道，同時(shí)接收32路的模擬量信號(hào)，集成數(shù)字量隔離電路，使同一芯片能夠進(jìn)行多路計(jì)算，數(shù)字量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)字量電路設(shè)計(jì)方案示意圖

傳感器的設(shè)計(jì)選型是關(guān)鍵步驟，最主要的傳感器是壓力變送器，根據(jù)提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓、壓力、防護(hù)等因素綜合考慮選用NS-P-I型號(hào)的壓力變送器，具有IP68防護(hù)等級(jí)。該型號(hào)的壓力變送器的輸入電壓為24 V，可以承受的壓力范圍值為0～25 MPa，工作精度為0.5%，滿足在礦井內(nèi)高溫高濕的工作環(huán)境，最大工作溫度能夠達(dá)到80℃。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上下位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互和安全平穩(wěn)運(yùn)行為目標(biāo)。其中上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行管理、查詢(xún)數(shù)據(jù)等三個(gè)關(guān)鍵功能，上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

下位機(jī)應(yīng)該與上位機(jī)進(jìn)行配合開(kāi)發(fā)，能夠使下位機(jī)通過(guò)CAN數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)MCU的配置，并通過(guò)單片機(jī)底層開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)器語(yǔ)言的寄存管理，如圖5所示為下位機(jī)軟件架構(gòu)圖。

圖5 下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

在對(duì)下位機(jī)進(jìn)行通信串口定義時(shí)，通過(guò)單片機(jī)各個(gè)引腳寫(xiě)入各類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的功能函數(shù)，包括時(shí)鐘模塊化配置、串口中斷配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)等。將下位機(jī)設(shè)計(jì)的16路ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸至上位機(jī)的監(jiān)測(cè)界面。

4 應(yīng)用效果分析

對(duì)提升機(jī)運(yùn)行階段鋼絲繩張力數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，同時(shí)對(duì)提升運(yùn)行階段鋼絲繩張力變化特性進(jìn)行了相關(guān)研究。為驗(yàn)證以上研究的正確性，采用Adams軟件對(duì)提升運(yùn)行階段模型進(jìn)行仿真，并將仿真后的數(shù)據(jù)與礦井生產(chǎn)過(guò)程中提升機(jī)的實(shí)際加載曲線進(jìn)行對(duì)照，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型與應(yīng)用的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6所示為提升機(jī)運(yùn)行階段Adams模型曲線示意圖。隨提升加速度不同模型亦有所差異，為保證模型驗(yàn)證在整個(gè)提升運(yùn)行階段的連續(xù)性，通過(guò)設(shè)置尾繩等效彈簧鋼度與等效質(zhì)量為時(shí)變函數(shù)，使之能夠滿足提升機(jī)不同提升運(yùn)行階段的工況模型，輸出鋼絲繩與張力自平衡裝置結(jié)合點(diǎn)應(yīng)力仿真曲線，該曲線與實(shí)際提升時(shí)鋼絲繩所受應(yīng)力的曲線基本相同，如下頁(yè)圖7所示。

圖6 提升機(jī)運(yùn)行階段張力曲線仿真數(shù)據(jù)示意圖

兩者曲線具有相同的變化趨勢(shì)，通過(guò)以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，所研究的提升機(jī)運(yùn)行階段鋼絲繩載荷張力變化特性具有正確性，證明設(shè)計(jì)出的提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的載荷張力數(shù)據(jù)精確，能夠有效地掌握提升機(jī)受載荷情況的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

提升機(jī)作為連接礦井內(nèi)外的主要運(yùn)輸工具，其整體結(jié)構(gòu)部件的安全性至關(guān)重要，尤其是提升機(jī)鋼絲繩在受到載荷作用力的長(zhǎng)時(shí)間作用下會(huì)發(fā)生磨損斷裂。因此，提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有助于掌握提升機(jī)鋼絲繩所受的載荷大小，監(jiān)測(cè)是否有異常載荷數(shù)據(jù)出現(xiàn)。通過(guò)仿真技術(shù)軟件，對(duì)設(shè)計(jì)出的提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并提取載荷數(shù)據(jù)，與實(shí)際工況的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出，提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作需要，可為煤礦行業(yè)研發(fā)新型提升機(jī)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備提供依據(jù)。

圖7 提升機(jī)鋼絲繩應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線對(duì)比圖