張彥輝

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)洪洞陸成煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041600）

麗景煤業(yè)目前使用的是多繩摩擦提升機(jī)，提升機(jī)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(nèi)采用四車(chē)鋼軌道罐籠。在運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩和襯墊之間相互摩擦造成鋼絲繩出現(xiàn)不同程度的磨損，加上提升機(jī)超負(fù)荷裝載和重復(fù)裝載使其動(dòng)力嚴(yán)重不足，造成提升速度緩慢，甚至出現(xiàn)斷繩情況，降低了提升機(jī)的使用壽命[1-3]。因此，需要設(shè)計(jì)一種提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩的載荷變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高提升機(jī)的效率，確保礦井的安全生產(chǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置、罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置等部分，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(lián)在液壓自動(dòng)平衡裝置上，便于及時(shí)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(guò)數(shù)據(jù)采集裝置將采集到的位移和電壓信號(hào)發(fā)送，經(jīng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，采用RS485/232 轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。在上位機(jī)上，通過(guò)Lab View 程序，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，如果系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載或發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，通過(guò)切斷繼電器達(dá)到停車(chē)目的[5-6]。

圖1 煤礦提升機(jī)載荷動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)主要是連接基地、大屏幕顯示裝置以及罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置的通信，采用RS485 和RS232 串行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、顯示和處理[7]。

2.2 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置主要是實(shí)時(shí)采集油壓數(shù)據(jù)并傳輸油壓信號(hào)，以ATmega8L 型單片機(jī)為核心[8-9]，在單片機(jī)中配置10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，連通8 道模擬復(fù)用裝置，可以同時(shí)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(yīng)裝置，以采集鋼絲繩的輸出電壓和供電量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)在通訊電路下傳輸?shù)綗o(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置。

2.3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置采用TDX868A 模塊，安裝方便，穩(wěn)定可靠，能實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體化，采用頻率合成技術(shù)，為其他通信提供接口[10]。

2.4 罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置

罐籠行程監(jiān)測(cè)裝置安裝在提升機(jī)的絞車(chē)房，便于實(shí)時(shí)采集罐籠行程信號(hào)，控制開(kāi)車(chē)回路的通斷。當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并立即切斷開(kāi)車(chē)回路，通過(guò)霍爾傳感器對(duì)鋼絲繩的下放或提升長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集罐籠的到位開(kāi)關(guān)量信號(hào)，獲取精確位置信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用分時(shí)通訊法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。在作業(yè)過(guò)程中，上位機(jī)對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收裝置發(fā)出指令，并將命令傳輸?shù)接蛪翰杉b置中，采集裝置將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，通過(guò)循環(huán)操作，對(duì)油壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接通電源后，數(shù)據(jù)采集裝置循環(huán)采集提升機(jī)上各鋼絲繩的張力信號(hào)和供電信號(hào)。主程序中采用濾波均值算法，將采集作業(yè)中的干擾信號(hào)剔除，每完成10 次采集數(shù)據(jù)求取一次平均值，最終得到采集信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算后將數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)采集和發(fā)送流程圖如圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集和發(fā)送流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)采用Lab View 編程，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和操作人員的互通，在交互界面上有用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和記錄、狀態(tài)預(yù)警等模塊。在運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)VISA 節(jié)點(diǎn)與下位機(jī)進(jìn)行通訊，在軟件中對(duì)提升機(jī)鋼絲繩的信號(hào)進(jìn)行綜合分析，一旦發(fā)現(xiàn)有異常地方，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)，并顯示故障類(lèi)型和區(qū)域，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，為后期的類(lèi)似故障提供依據(jù)。

4 效果分析

采用Adams 軟件模擬提升機(jī)運(yùn)行階段的鋼絲繩張力變化特性，通過(guò)獲取提升機(jī)運(yùn)行階段的鋼絲繩張力，將仿真得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際工作中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。提升機(jī)運(yùn)行階段張力曲線(xiàn)仿真數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 提升機(jī)運(yùn)行階段張力曲線(xiàn)仿真數(shù)據(jù)示意圖

從圖3 中可以看出，隨運(yùn)行時(shí)間的增加，提升機(jī)鋼絲繩的張力逐漸增大。提升機(jī)的加速度不同，仿真模型也不同，為了保證模擬整個(gè)模型的連續(xù)性，將尾繩的彈簧鋼度和質(zhì)量等效成時(shí)變函數(shù)，模擬不同工況條件下鋼絲繩應(yīng)力與提升時(shí)間的仿真曲線(xiàn)，得到仿真數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖4。

圖4 提升機(jī)鋼絲繩應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線(xiàn)對(duì)比圖

從圖4 可以看出，仿真數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)大體相同。將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在麗景煤業(yè)中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行一切正常，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷故障，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)了設(shè)備安全，提高了工作效率，為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。因此，提升機(jī)運(yùn)行階段鋼絲繩張力變化符合實(shí)際，設(shè)計(jì)的提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能采集到精準(zhǔn)的張力數(shù)據(jù)，可以有效模擬提升機(jī)載荷變化情況。

5 結(jié)論

（1）采用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升機(jī)的運(yùn)行載荷，通過(guò)人機(jī)交互界面，對(duì)用戶(hù)管理、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和記錄、狀態(tài)預(yù)警等模塊進(jìn)行顯示，準(zhǔn)確記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性。

（2）采用Adams 仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過(guò)提取載荷數(shù)據(jù)，與實(shí)際工作條件下的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)的提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能采集到精準(zhǔn)的張力數(shù)據(jù)，可以有效模擬提升機(jī)載荷變化情況。