張永浩

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司， 山西 長治 046103）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的單繩纏繞式提升機(jī)已經(jīng)無法滿足實(shí)際使用需要，當(dāng)前使用更多的是多繩摩擦式提升機(jī)，該種類型的提升機(jī)性能更加優(yōu)越[1-3]。但多繩摩擦式提升機(jī)由于需要提升的煤礦物料非常重，導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中不可避免的會出現(xiàn)一些安全問題[4]。其中最典型的問題包括提升容器傾斜問題和振動問題、鋼絲繩張力問題等[5]。因此，有必要設(shè)計(jì)一套安全系統(tǒng)對提升機(jī)常見的安全隱患進(jìn)行監(jiān)控。做到及早發(fā)現(xiàn)、及時排除，從根本上保障多繩摩擦式提升機(jī)的安全運(yùn)行[6]。

1 多繩摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

多繩摩擦式提升機(jī)的工作原理主要是依靠鋼絲繩與滾輪之間的摩擦力進(jìn)行工作。如圖1 所示本文所研究的多繩摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。提升機(jī)的具體參數(shù)如下：滾筒直徑4 m，提升高度558.9 m，提升速度8 m/s，加速度0.6 m/s2，最大載重26 t，載重差13 t。圖中所示的提升機(jī)結(jié)構(gòu)因?yàn)楹芏嘣O(shè)備是直接在地面中進(jìn)行安裝，即便在使用過程中出現(xiàn)故障問題，可以方便快速檢查并排除故障問題。

2 提升機(jī)安全系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 安全系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜合考慮礦井實(shí)際使用需要，設(shè)計(jì)研究多繩摩擦式提升機(jī)安全系統(tǒng)，如圖2 所示為安全系統(tǒng)工作原理基本框圖。系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際使用需要選擇了有線和無線兩種監(jiān)測傳輸技術(shù)。根據(jù)總體框架需要對提升機(jī)容器傾斜情況和振動情況、鋼絲繩張力進(jìn)行檢測，由于這些傳感器需要隨著提升機(jī)容器一起運(yùn)動，因此通過無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。而尾繩部分的監(jiān)測是不需要移動的，為了提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^有線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 多繩摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 安全系統(tǒng)工作原理基本框圖

安全系統(tǒng)總共由三大部分構(gòu)成，分別為下位機(jī)、組態(tài)監(jiān)控軟件以及上位機(jī)。井下PLC、傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)射器等構(gòu)成了下位機(jī)，井上PLC 以及數(shù)據(jù)接收器等構(gòu)成了上位機(jī)。提升機(jī)在運(yùn)行過程中，操作人員可以基于組態(tài)監(jiān)控軟件向上位機(jī)下達(dá)數(shù)據(jù)采集命令，上位機(jī)收到命令后馬上向下位機(jī)發(fā)送對應(yīng)的命令，通過下位機(jī)中的各種傳感器對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。下位機(jī)在收集得到提升機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息后，通過通信網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)再將數(shù)據(jù)信息傳輸至組態(tài)監(jiān)控軟件。然后由組態(tài)監(jiān)控軟件對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲并顯示給操作人員。所有傳感器的安裝不得影響提升機(jī)的正常工作。

2.2 傳感器類型及其安裝部位

傳感器是整個安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)，安全系統(tǒng)必須基于傳感器收集得到的數(shù)據(jù)信息才能夠開展數(shù)據(jù)分析工作，進(jìn)而判斷提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，是否存在安全隱患。傳感器的安裝位置直接影響著測量結(jié)果精度，以及傳感器工作時的可靠性。所以必須在充分分析提升機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)傳感器的安裝位置。如圖3 所示為安全系統(tǒng)中各傳感器在提升機(jī)中的安裝位置，需要用到的傳感器類型具體見圖。

圖3 安全系統(tǒng)傳感器布置情況

3 安全系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

3.1 無線采集發(fā)射和地面信號收發(fā)裝置

安全系統(tǒng)用到的各類監(jiān)測設(shè)備必須做到體積盡可能小、重量盡可能輕?；谏鲜龅难b置選用原則，系統(tǒng)中的下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)信號采集、處理以及發(fā)送等任務(wù)通過無線數(shù)據(jù)采集終端RTU 完成。無線采集發(fā)射裝置發(fā)射出去的數(shù)據(jù)信號需要有對應(yīng)的接收裝置，該裝置稱為地面信號收發(fā)裝置。收發(fā)裝置接收到數(shù)據(jù)信號以后，將其輸入到上位機(jī)中進(jìn)行存儲并顯示。安全系統(tǒng)中無線采集發(fā)射裝置以及地面信號收發(fā)裝置全部使用nRF905 無線模塊。

3.2 供電電源

各無線傳感器需要通過電源對其進(jìn)行供電才能夠正常穩(wěn)定工作。由于采用的是無線傳輸模式，所以需要通過可移動式電源對其進(jìn)行供電。在綜合考慮礦井實(shí)際環(huán)境、成本、環(huán)保等多方面因素的基礎(chǔ)上，最終選用鉛酸移動電池電源，供電電壓為24 V，可滿足實(shí)際使用需要。鑒于提升機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜，為了保障電源的絕對安全，將電源放置在防爆盒內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。另外，為了鉛酸移動電池電源電量時刻保持充足，設(shè)計(jì)研究了小型發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置可以利用提升機(jī)的上下運(yùn)動帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到發(fā)電的目的。但是提升機(jī)的運(yùn)行速度不是勻速的，所以發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓肯定不穩(wěn)定?？紤]到發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)定，還需要利用整流器對發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行整流，確保鉛酸移動電池電源充電電壓的穩(wěn)定。通過以上流程實(shí)現(xiàn)對鉛酸移動電池電源的充電，保證電源的電量能夠正常供應(yīng)。

3.3 可編程邏輯控制器PLC

系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)中都要用到可編程邏輯控制器PLC。基于PLC 完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息的采集有很多優(yōu)勢。比如，PLC 能對故障進(jìn)行自診斷，所以故障率非常低；PLC 上通常帶有發(fā)光二極管，通過燈光指示能夠快速找到故障問題，并對出現(xiàn)問題的元件進(jìn)行更換，就可排除故障。出于性能考慮，系統(tǒng)中使用的PLC 全部選用西門子公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。另外，在考慮性價比的基礎(chǔ)上，選用的具體型號為S7-300CPU315-2D。這種型號的PLC 具備有較大的存儲器和集中式I/O 接口，大的存儲期能夠保障PLC 同時處理多條指令，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

井下PLC 的作用是對各種傳感器數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和處理過程進(jìn)行控制。井上PLC 則直接與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接，PLC 將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)中顯示。工作人員通過觀察顯示器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息就可以掌握提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。操作人員還可以通過組態(tài)監(jiān)控軟件向井上PLC 發(fā)送指令，井上PLC 將指令轉(zhuǎn)達(dá)到井下PLC，井下PLC開始啟用傳感器對提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。然后沿著相反的路徑傳輸?shù)浇M態(tài)監(jiān)控軟件中。

4 安全系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

如下頁圖4 所示為本文設(shè)計(jì)的多繩摩擦式提升機(jī)安全系統(tǒng)軟件界面。從圖中可以看出，安全系統(tǒng)可以對提升機(jī)多個方面的安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。通過各個安全監(jiān)測模塊能夠?qū)崟r顯示提升機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。工作人員通過顯示器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息能夠判斷提升機(jī)的安全狀態(tài)。最重要的是，當(dāng)安全系統(tǒng)判斷提升機(jī)工作狀態(tài)不良時，會發(fā)出警告與提醒操作人員，包括聲音警報(bào)和指示燈警報(bào)。

圖4 多繩摩擦式提升機(jī)安全系統(tǒng)軟件界面

以提升機(jī)容器振動情況為例。通過安全系統(tǒng)軟件能夠?qū)崟r顯示振動加速度傳感器收集得到的數(shù)據(jù)信息，并繪制加速度值隨時間的變化曲線。工作人員通過觀察曲線能夠掌握提升機(jī)的加速度狀態(tài)。當(dāng)提升容器的加速度超過了系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)就會向外發(fā)出警報(bào)。不僅通過指示燈進(jìn)行警報(bào)，還會發(fā)出刺耳的聲音警告。通過軟件界面還可以調(diào)用系統(tǒng)存儲的歷史數(shù)據(jù)，以便對前期故障問題進(jìn)行深入分析。本文所研究的提升機(jī)最大加速度值為0.6 m/s2，當(dāng)系統(tǒng)檢測到提升機(jī)容器加速度超過該值就會馬上發(fā)出警報(bào)。

5 結(jié)論

提升機(jī)安全系統(tǒng)通過多種類型傳感器對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，包括提升載荷狀態(tài)、容器傾斜和振動狀態(tài)、鋼絲繩受力狀態(tài)、井底尾繩磨損狀態(tài)等。安全系統(tǒng)在實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用效果，在保障提升機(jī)安全方面發(fā)揮著重要作用。