邢彧

寧夏安標檢驗認證有限公司，寧夏銀川，750000

0 引言

煤礦提升裝置在煤礦開采生產(chǎn)活動中具有十分重要的作用，其中包括對作業(yè)人員、煤礦資源以及輔料等的運輸傳送。欠載與超載現(xiàn)象都會對提升裝置運行過程中的安全性能造成一定程度的影響，會嚴重威脅到礦產(chǎn)資源與工作人員的安全，對煤礦企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失與社會影響。如果在立井提升時出現(xiàn)二次裝載、礦車掉道以及松繩卡罐等現(xiàn)象，都可能導致煤礦安全事故發(fā)生。因此，煤礦企業(yè)在生產(chǎn)運營的過程中必須重視礦用提升機的質(zhì)量與安全運行，以此保障煤礦活動順利安全進行。

1 我國既往礦用提升機系統(tǒng)事故案例總結(jié)

1.1 山西大同礦煤集團白洞礦

2005年9月，由山西省大同煤礦集團負責開采管理的白洞礦井發(fā)生了由提升機造成的煤礦安全事故。白洞礦主井的提升裝置2號箕斗在值班司機操作下提升到指定位置進行卸煤作業(yè)，在卸煤過程中箕斗內(nèi)部的大矸石與其他雜物導致扇形閘門無法正常復(fù)位，從而導致箕斗卡在煤礦裝卸點。同時，井架信號人員并沒有及時發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，依舊正常發(fā)送開車信號，司機正常開車后發(fā)生了松繩現(xiàn)象，松繩逐漸盤繞在卡點箕斗上方，箕斗內(nèi)部矸石與其他雜物在鋼絲繩的重力作用下塌落，進而導致扇形閘門正常復(fù)位，箕斗裝置在礦井筒內(nèi)快速跌落，最終導致鋼絲繩裝置損毀斷裂，箕斗裝置跌落到礦井底部，造成了十分嚴重的經(jīng)濟損失[1]。

1.2 山西大同礦煤集團華宮礦

2006年1月，山西省大同煤礦集團華宮礦發(fā)生了十分嚴重的由提升機引發(fā)的安全事故。華宮礦副井中，提升機司機聽到向上緩慢提升裝置的信號后，正常操作提升機，但是絞車裝置發(fā)生了滾筒反轉(zhuǎn)問題，且速度出現(xiàn)明顯加快現(xiàn)象，司機利用手閘手柄、腳踏緊急制動開關(guān)以及主令手柄歸零等操作，均無法正常制動絞車裝置，最終發(fā)生了絞車過卷事故。該事故造成11人受傷，2人死亡。

2 礦用提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

為了達到對起重機負載的實時監(jiān)控，我國煤礦多繩摩擦式起重機多數(shù)使用的是液壓張力自動均衡機構(gòu)?！睹旱V安全規(guī)程》要求：在任何一臺起重設(shè)備上，每一臺起重的鋼索與其負荷之間的差異應(yīng)大于其總負荷的百分之一。液壓式張緊機是一種半調(diào)壓的工作模式。為了解決目前國內(nèi)和國際上起重機監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，研制了一套用于多繩摩擦的礦井提升機監(jiān)控裝置。整個體系結(jié)構(gòu)見圖1。

張力數(shù)據(jù)收集及無線傳送模塊為全套無線數(shù)據(jù)收集設(shè)備。利用MSP430微處理器對拉力信號進行A/D變換，再由無線數(shù)據(jù)傳送到礦井下的數(shù)據(jù)。井底輸送界面是一個承載和傳遞的樞紐。由CAN總線將接收到的資料傳送至主站。通過CAN總線從井下接收各種資料，并對其進行分析和計算，當發(fā)生超載、不平衡或超速輸送時，通知有關(guān)部門進行檢測，消除危險。該軟件可以實時地記錄上一個月份的生產(chǎn)情況和當日的生產(chǎn)情況。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 無線數(shù)據(jù)的采集裝置

該系統(tǒng)主要包括三大部件：感應(yīng)器、MSP430以及無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用了MSP430型節(jié)能型微控制器，在硬件上實現(xiàn)了功耗的減少。在接近井口位置時，接收啟動指令，啟動系統(tǒng)，取樣回路完成A/D變換。在完成了變換之后，MSP430與無線模組均處于睡眠狀態(tài)，因此在算法上達到了最優(yōu)的能量節(jié)約。以MSP430為中心，設(shè)計了一種用于拉力獲取和無線傳送設(shè)備的總體方框圖，如圖2所示。

（1）MSP430微處理器是由一塊鋰電池驅(qū)動的。其功能是通過從壓力傳感器獲取的仿真數(shù)據(jù)通過本身的A/D模組進行變換，將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10比特的數(shù)據(jù)，通過SSM63B的串口發(fā)送到礦井下的數(shù)據(jù)傳輸。除了基準電壓設(shè)置Ref+和Ref-外，MSP430G2553 I/O資源是很珍貴的。串口通訊的發(fā)射端口（引腳4：與無線電發(fā)射模塊相連的接收器）以及串口通訊（引腳3：用于與無線電發(fā)射組件相連的發(fā)射端口）所占據(jù)的這些引腳（引腳3、引腳4、引腳5、引腳6）不能作為A/D變換的入口，其余4個I/O端口用于A/D的輸出。從數(shù)據(jù)上來判斷，4個拉力傳感器，1個電壓，5個A/D輸出。這需要使用上述的可編程控制的選擇交換機來進行。

（2）該傳感器還通過電池提供動力，為了節(jié)省功率，可以通過一個系統(tǒng)軟件來進行收集或者停止收集。圖3為拉力傳感器的電力供應(yīng)終端的電路示意圖。由于該張力傳感器自身無切換功能，通過對拉力傳感器進行功率的調(diào)節(jié)，從而達到使用時開而不需要時停止的目的?？傮w功率消耗減少。通過ADG884，實現(xiàn)了對壓力敏感元件進行切換。ADG884是由兩個單獨的軟件控制切換組成的低壓COMS晶片。ADG884的一個輸入AIN4_1（引線10）是一個拉力信號，該拉力信號通過一個電壓跟蹤器而被輸出；AIN4_2采用分壓的方法測量了鋰離子的電壓，最初的數(shù)值大約為2V，方便比較基準的電壓和蓄電池的剩余電流，而低壓則是為了通知工作人員進行替換。

D1末端（引線3）與該壓力換能器的供電末端相耦合，并可依據(jù)MSP430的單片機程序來決定D1端子的輸入量。IN1（引線4）與MSP430微處理機13引線相連，并對切換進行控制；ADD3.6是一個直接為鋰離子提供電源的終端，它是D1的一個選項。在IN1的數(shù)值為0時，切換器在向拉力換能器提供電源的情況下，在D1末端的輸出數(shù)值為ADD3.6的電壓。在IN1是1的情況下，切換S1A（引線2）是0，這時向拉力換能器供電被關(guān)閉。表1顯示了ADG884的邏輯真值。

表1 ADG884邏輯真值表

（3）因為該傳感器的電壓信號很弱，在MCU的I/O端口中，采用了一個電壓跟蹤裝置。由于電壓追隨器具有較大的輸入阻抗值和較低的阻抗值，因此可以將其視為一種阻抗變換的線路，從而能夠有效地改善原有線路的帶負荷性能。圖4為所述傳感器與所述電壓跟蹤器ADA5404的線路相耦合圖。ADA4505的動力來源也是由一塊經(jīng)過電壓變化后的鋰電池提供的。ZL_IN1（引腳12）、ZL_IN2（引腳10）、ZL_IN3（引腳5）、ZL_IN4（引腳3）是由拉桿傳感器獲取的，然后被輸出到電壓跟蹤器中，通過放大器進行放大，從而維持恒定的輸出，提高了皮帶負荷的容量。再將AIN1、AIN2、AIN3、AIN4_1輸入到MSP430微處理器A/D數(shù)據(jù)的模擬/數(shù)字信號的輸入。

2.2.2 井下傳輸接口設(shè)計

礦井通信系統(tǒng)的主要作用是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通過CAN口傳送到主基站進行數(shù)據(jù)的處理。它就像是一個橋梁，采用ARMCortex-M3作為單片機的NXPLPC1752。其特點是功率消耗小，集成程度高。LPC1752與MSP430采用1個SM63B無線通訊，完成對采集指令的傳輸和接收。LPC1752內(nèi)置CAN控制器，無需附加控制器，即可與CAN接收機進行直接的聯(lián)接，從而使電路結(jié)構(gòu)更加簡單。CAN通訊線路見圖5。本系統(tǒng)采用CTM8521T單片機，該單片機的作用是將 CAN控制器與CAN總線分開，使CAN與CAN的電平相匹配，實現(xiàn)了對CAN的數(shù)據(jù)的傳輸。同時，該晶片還具備ESD保護電路。CTM8521T耐高壓絕緣，耐EMI。

3 礦用提升機載荷監(jiān)測保護裝置的應(yīng)用

3.1 安裝運行

將稱重傳感裝置安裝在提升機中的天輪帶座軸承下方，以便實時獲取天輪的具體載荷信息，并對稱重傳感裝置獲取到的信息數(shù)據(jù)進行顯示與記錄，及時上傳至電控系統(tǒng)PLC中。將轉(zhuǎn)速傳感裝置安裝在提升機主軸，結(jié)合礦井筒實際深度與位置傳感器，能夠有效掌握提升容器在礦井內(nèi)實時位置的載荷數(shù)據(jù)[2]。提升容器在生產(chǎn)工作時能夠?qū)⒎Q重傳感裝置獲取的天輪載荷給定范圍數(shù)據(jù)傳送至PLC系統(tǒng)中。在提升機工作的過程中，如果實時載荷數(shù)據(jù)明顯超出給定范圍，則判斷為載荷異?，F(xiàn)象，提升機中的安全保護系統(tǒng)與報警系統(tǒng)會第一時間進行斷電保護與報警。

3.2 產(chǎn)品構(gòu)成

載荷監(jiān)測保護裝置主要包括提升機、鋼絲繩、提升容器、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感裝置、稱重計算裝置、稱重傳感裝置以可編程控制裝置等。

3.3 功能總結(jié)

載荷監(jiān)測保護裝置能夠?qū)μ嵘龣C工作過程進行全面系統(tǒng)監(jiān)測，精準化記錄罐籠在礦井中的實時載荷信息，保障罐籠能夠正常安全提升。如果罐籠在提升過程中出現(xiàn)打滑、松繩、卡罐以及礦車掉道等現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠有效捕捉到載荷瞬間變化，從而將其判斷為載荷異?，F(xiàn)象，進行報警后停止提升機運行工作。

系統(tǒng)能夠?qū)愤\行狀態(tài)進行全程動態(tài)監(jiān)測，如果箕斗出現(xiàn)超載、欠載、鋼絲繩打滑以及卡在卸載口等現(xiàn)象，系統(tǒng)會立刻發(fā)起警報，以此保護提升機裝置的正常、安全運行，進而保障礦井作業(yè)安全。

如果載荷監(jiān)測保護裝置監(jiān)測到箕斗卸載工作尚未完畢，則會對箕斗剩余煤量進行精準化測量，系統(tǒng)具有智能補償與人工補償兩項功能，以此確保因為二次裝載所引發(fā)的超載現(xiàn)象不會出現(xiàn)，有效保證了系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。

3.4 應(yīng)用效果

在煤礦井下作業(yè)中應(yīng)用提升機載荷監(jiān)測保護裝置大幅度提升了煤礦作業(yè)的安全性能，使相關(guān)人員能夠?qū)μ嵘龣C作業(yè)的全過程進行系統(tǒng)全面的動態(tài)監(jiān)測，從而降低安全事故的發(fā)生概率，使得提升機系統(tǒng)的保護工作更加具有主動性與高效性，大幅度加強了整體系統(tǒng)的運行安全與工作效率。同時，載荷監(jiān)測保護裝置能夠有效防止提升裝置進行超載作業(yè)，將提升機控制在安全穩(wěn)定的功率內(nèi)運行，對煤礦工作人員的生命財產(chǎn)起到了有效的保護作用，進而提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益，促進煤礦行業(yè)的穩(wěn)定和諧發(fā)展[3]。

4 礦用提升機載荷監(jiān)測保護裝置應(yīng)用的保障措施

4.1 加強制動裝置的安全管理

礦用提升裝置中最為重要的安全保護裝置就是制動裝置，在針對制動裝置進行管理控制的過程中，煤礦企業(yè)應(yīng)當設(shè)置高水平的專業(yè)人才進行管理，以此有效把握制動裝置。為保障提升機運轉(zhuǎn)工作的科學性與專業(yè)性，管理人員需要實時監(jiān)管制動裝置運行狀態(tài)，保證保險閘與常用閘裝置能夠正常穩(wěn)定運行。煤礦企業(yè)應(yīng)當對提升機安全管理人員定期開展培訓強化活動，聘請專家與行業(yè)優(yōu)秀人士進行講解教授，從而提升有關(guān)人員的專業(yè)素養(yǎng)與綜合能力，降低制動裝置事故發(fā)生概率，確保高效控制提升機作業(yè)，保障煤礦井下作業(yè)的設(shè)備安全與人員安全。除此之外，還需要對保險閘與常用閘定期開展分連工作，確保裝置間的關(guān)聯(lián)性能，防止一個閘門發(fā)生故障時會對另一個閘門造成直接的影響。分連工作能夠強化制動裝置的利用率，同時大幅度加強提升機作業(yè)的安全性。為確保提升制動裝置能夠安全穩(wěn)定運行，煤礦企業(yè)可以積極引進先進技術(shù)，將其靈活應(yīng)用到提升機安全裝置中，以確保裝置設(shè)備的安全性與先進性，如可以利用壓縮空氣驅(qū)動閘瓦式制動裝置等。

4.2 科學改裝設(shè)置防過卷裝置

防過卷裝置在實際應(yīng)用中具有一定程度的科學性、專業(yè)性、靈活性特點，能夠防止過卷現(xiàn)象發(fā)生。為進一步提升防過卷裝置的運行效果，可以在原有防過卷裝置上進行利用科學手段進行優(yōu)化調(diào)整，可以轉(zhuǎn)變提升容器在提升機中的點位，從而有效加強防過卷裝置的實際運行質(zhì)量，為提升機正常運行提升安全保障。通常情況下，提升機的最終停止點位必須嚴格依據(jù)我國行業(yè)標準規(guī)定設(shè)定[4]。但是在實際煤礦作業(yè)的過程中，為保障防過卷裝置的科學合理性與提升機的運行效率，可以依據(jù)實際情況將提升容器高度提升0.5m左右，從而保障提升機防過卷裝置的實際工作效率，降低防過卷裝置出現(xiàn)失效失靈等問題的概率。除此之外，防過卷裝置在還可以靈活運用在保險閘的制動功能中?？茖W合理地運用防過卷裝置能夠有效加強提升機的實際運行效率與作業(yè)安全，大幅度降低安全事故的發(fā)生概率，保障了企業(yè)的經(jīng)濟效益與企業(yè)職員的生命財產(chǎn)。

4.3 提高提升機機房管理力度

礦用提升機的控制機房是對提升裝置進行系統(tǒng)控制與管理的中心，為保障提升機裝置能夠安全、高效、穩(wěn)定運行，煤礦企業(yè)必須加強對控制機房的安全管理力度。首先，企業(yè)需要重視機房內(nèi)部的安全消防系統(tǒng)，確保滅火器、消防沙袋以及相關(guān)消防器材的充足，同時定期開展質(zhì)量檢查工作，以確保消防系統(tǒng)的有效性與安全性，避免消防系統(tǒng)對提升機控制機房正常穩(wěn)定運行的影響。煤礦企業(yè)需要加強控制機房的日常管理工作，設(shè)置專業(yè)的管理人員進行日常管理控制，對機房內(nèi)部各項系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施等進行全面的系統(tǒng)檢查，盡可能消除機房中存在的安全隱患，保證提升機控制系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行[5]。除此之外，企業(yè)需要加強提升機控制機房的安全保障措施，將機房安全職責具體落實到某一部門或個人，當外來人員需要借用設(shè)施、開展機床檢測等工作時必須進行報備記錄，對借用人員、借用期限等信息詳細記錄，以保障相關(guān)設(shè)施的安全性。企業(yè)需要依據(jù)國家相關(guān)規(guī)定與企業(yè)實際作業(yè)情況制定權(quán)威、科學的管理制度，在煤礦工作中必須嚴格制定管理制度，為提升機裝置的正常運行提供堅實的制度保障。

5 結(jié)語

提升機裝置在煤礦井下作業(yè)中具有十分重要的作用，是運輸煤礦資源、工作人員以及企業(yè)設(shè)施器械的重要工具，因此，煤礦企業(yè)在日常工作中必須加強提升機安全管理工作，以此保障提升機的運行效率與工作人員的人身安全。煤礦企業(yè)可以利用載荷監(jiān)測保護系統(tǒng)加強對提升機運行過程的管理控制，通過稱重感應(yīng)器、位置感應(yīng)器以及數(shù)字編程系統(tǒng)等對提升機運轉(zhuǎn)過程進行全面的系統(tǒng)監(jiān)測，從而加強提升機運行效率與工作質(zhì)量，促進煤礦行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。