礦井提升動態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

韓瑞東,申建朝,王 雷

(潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司 夏店礦,山西 長治 046000)

分析近年來礦井提升事故調(diào)查資料,在大提升量、高速運行狀態(tài)下,提升載荷(提升鋼絲繩張力值)異常是導致提升事故的主要原因之一。因此,實現(xiàn)提升工作全周期內(nèi)對提升載荷量、提升容器運行狀態(tài)的實時監(jiān)測顯得尤為重要,準確掌握鋼絲繩受力情況和設備工作狀態(tài),是消除安全隱患避免事故發(fā)生的有效途徑。

1 監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

礦井提升動態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)通過采集和處理提升載荷信號,可實現(xiàn)對每根鋼絲繩張力值變化量的實時、動態(tài)監(jiān)測。同時,該系統(tǒng)還可以采集提升容器的位置信號、原煤、物料的裝卸載信號,并以此為依據(jù)分析鋼絲繩所承受的動態(tài)載荷是否正常。采用這種監(jiān)測模式,一方面能夠準確掌握提升鋼絲繩在井底裝載過程、井口卸載過程等特殊位置的載荷變化,進而判斷提升容器裝載是否超載、卸載是否完全,一旦發(fā)生超載現(xiàn)象,或者卸載不完全粘煤過多而導致鋼絲繩所承受的載荷值超過設定的安全范圍時,系統(tǒng)會自動發(fā)出聲光警告,提醒工作人員采取合理的處理措施;另一方面,該套系統(tǒng)可以動態(tài)地監(jiān)測提升鋼絲繩在運行中間狀態(tài)張力值的變化情況,對于卡罐、松繩等發(fā)生在提升容器中間運行過程中的故障可以及時地發(fā)現(xiàn)和處理[1]?？傊?該套系統(tǒng)可以實現(xiàn)對提升鋼絲繩張力值的全行程、實時動態(tài)監(jiān)測,及時預判和發(fā)現(xiàn)提升容器運行異常,有效避免提升事故的發(fā)生,確保礦井提升工作安全可靠地進行。

2 系統(tǒng)硬件設計

該礦井提升動態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)是集無線射頻技術(shù)、模擬信號采集技術(shù)、串行通訊技術(shù)、PLC控制、LabVIEW等先進技術(shù)于一體,由信號采集、信號傳輸、信號處理三個功能框架組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 礦井提升動態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wireless monitoring system on dynamic load in mine hoisting

1)信號采集部分: 對張力信號的采集、轉(zhuǎn)換與處理以及一些開關(guān)量信號的采集。通過安裝在首繩懸掛裝置連通管上的油壓傳感器實現(xiàn)對鋼絲繩實時張力值的間接測量,利用AVR單片機對油壓傳感器反饋的電壓信號進行采樣,相關(guān)數(shù)據(jù)利用串行通訊技術(shù)傳輸至采集網(wǎng)絡終端,等待信號傳輸和處理。

2)信號傳輸部分: 主要包括信號發(fā)射模塊對無線信號的調(diào)制與發(fā)射、信號接收模塊對調(diào)制信號的解調(diào)與傳輸。在井筒惡劣的工況環(huán)境下,采樣樹簇結(jié)構(gòu)的ZigBee無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),該網(wǎng)絡的終端節(jié)點布置在提升容器上盤,將采集的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號并經(jīng)過調(diào)制和放大處理進行遠距離信號傳輸[2]。井口布置用于接受無線信號的接收裝置,并將接收到的信號解調(diào)為RS-485格式后傳輸至控制中心,通過串行通訊模塊實現(xiàn)與PC機的信號傳輸處理。

3)數(shù)據(jù)處理部分: 對解調(diào)后的鋼絲繩張力數(shù)據(jù)以及各種輔助判定數(shù)據(jù)進行分析, 并安裝PLC控制器中預先設定的控制程序和控制策略進行相應的決策[3]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件主要是針對如何高效、準確采集油壓傳感器和模塊電量的模擬量信號,如何進行信號轉(zhuǎn)換處理、過濾放大處理,如何進行信號傳輸與接收等問題進行程序設計和功能設計。設計的下位機工作流程如圖2所示。

圖2 下位機工作流程圖Fig.2 Flow chart of lower computer

系統(tǒng)上電后采集模塊按設計程序不間斷循環(huán)采集油壓傳感器產(chǎn)生的壓力信號、采集供電模塊的實時電量模擬信號。為了提高測量精度和有效性,程序?qū)Σ杉盘栠M行濾波處理,排除極大值和極小值干擾,對有效信號進行算數(shù)平均處理。如果下位機接到上位機發(fā)出的信號發(fā)送指令,則通過ZigBee無線網(wǎng)絡將處理后的信號數(shù)據(jù)進行上傳發(fā)送,完成一次工作循環(huán)。

3.2 上位機軟件設計

上位機主程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)設計,主要功能是結(jié)合提升容器位置信號、定量裝載裝置開關(guān)信號、絞車房部分控制信號,對采集的張力信號進行邏輯判斷處理。如果卸載不充分,粘煤量大,滯煤質(zhì)量超過設定范圍,則發(fā)出滯煤超限警報[4]。如果裝載量過大,導致張力值超限,則發(fā)出超重警報,并閉鎖絞車房開車提升信號。如果在空載下行或者重載上行過程中,監(jiān)測信號顯示鋼絲繩的實際張力值小于規(guī)程規(guī)定的最小值,則發(fā)出松繩故障警報。如果鋼絲繩之間的實測張力差大于10%,則發(fā)出張力自動平衡失效的故障警報。系統(tǒng)對所有探測的故障做出報警響應的同時,還將故障類型、相關(guān)數(shù)據(jù)、故障時間等信息傳輸至數(shù)據(jù)庫進行備案處理[5]。系統(tǒng)監(jiān)測主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program in the monitoring system

3.3 上位機控制界面設計

為了最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的監(jiān)視功能和控制功能,實現(xiàn)操控人員和監(jiān)測系統(tǒng)之間高效的信息交流,設計了觸摸屏式控制界面。系統(tǒng)工作前,可以根據(jù)實際工況設置觸摸屏界面相關(guān)設備參數(shù),確保系統(tǒng)正常有效工作。系統(tǒng)工作時,可以實時動態(tài)顯示諸如提升容器載重量值、鋼絲繩張力差值、提升容器位置、電池電量等監(jiān)測值,實時掌握各個設備的運行狀態(tài),當監(jiān)測數(shù)值異常時會發(fā)出聲光報警。系統(tǒng)維護時,可以調(diào)取儲存在數(shù)據(jù)庫中的設備預警信息,方便維護人員排除設備故障源。

4 現(xiàn)場應用

該套礦井提升動態(tài)載荷無線監(jiān)測系統(tǒng)在2016年9月在夏店礦安裝應用,在應用實踐中,該套系統(tǒng)能夠?qū)崟r清晰地顯示提升鋼絲繩的動態(tài)載荷,并按照預設的邏輯程序進行信號處理,當發(fā)生提升容器卸載不完全、提升容器超載、張力差超限、鋼絲繩發(fā)生松繩等異常情況時,能夠及時發(fā)出聲光報警,為提升絞車房提供準確的輔助參考信號,杜絕了潛在的提升安全隱患。數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,在投入運行的一年半內(nèi),共發(fā)出卸載不充分預警8次,發(fā)出超載預警12次,發(fā)出張力差超限預警1次,發(fā)出松繩預警3次,并且所有預警均真實可靠,無誤報發(fā)生,操控人員在第一時間根據(jù)預警信號發(fā)現(xiàn)故障源,及時排除了運行故障,確保了提升工作安全進行。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)集無線射頻技術(shù)和可編程控制技術(shù)于一體,實現(xiàn)提升過程的全程動態(tài)實時監(jiān)測,能夠?qū)μ嵘d荷超值、提升鋼絲繩打滑、首繩懸掛裝置偏竄失衡、容器卡罐等提升故障進行提前預警,及時消除安全隱患?，F(xiàn)場應用情況證實,該套系統(tǒng)可靠性高,精確度高,性能穩(wěn)定,對確保礦井提升安全具有顯著的現(xiàn)實意義。