礦井提升動態載荷無線監測系統的研究

韓瑞東,申建朝,王 雷

(潞安集團慈林山煤業有限公司 夏店礦,山西 長治 046000)

分析近年來礦井提升事故調查資料,在大提升量、高速運行狀態下,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,實現提升工作全周期內對提升載荷量、提升容器運行狀態的實時監測顯得尤為重要,準確掌握鋼絲繩受力情況和設備工作狀態,是消除安全隱患避免事故發生的有效途徑。

1 監測系統功能設計

礦井提升動態載荷無線監測系統通過采集和處理提升載荷信號,可實現對每根鋼絲繩張力值變化量的實時、動態監測。同時,該系統還可以采集提升容器的位置信號、原煤、物料的裝卸載信號,并以此為依據分析鋼絲繩所承受的動態載荷是否正常。采用這種監測模式,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,一旦發生超載現象,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,系統會自動發出聲光警告,提醒工作人員采取合理的處理措施;另一方面,該套系統可以動態地監測提升鋼絲繩在運行中間狀態張力值的變化情況,對于卡罐、松繩等發生在提升容器中間運行過程中的故障可以及時地發現和處理[1]。總之,該套系統可以實現對提升鋼絲繩張力值的全行程、實時動態監測,及時預判和發現提升容器運行異常,有效避免提升事故的發生,確保礦井提升工作安全可靠地進行。

2 系統硬件設計

該礦井提升動態載荷無線監測系統是集無線射頻技術、模擬信號采集技術、串行通訊技術、PLC控制、LabVIEW等先進技術于一體,由信號采集、信號傳輸、信號處理三個功能框架組成，其結構組成如圖1所示。

圖1 礦井提升動態載荷無線監測系統結構圖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、轉換與處理以及一些開關量信號的采集。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,相關數據利用串行通訊技術傳輸至采集網絡終端,等待信號傳輸和處理。

2)信號傳輸部分: 主要包括信號發射模塊對無線信號的調制與發射、信號接收模塊對調制信號的解調與傳輸。在井筒惡劣的工況環境下,采樣樹簇結構的ZigBee無線網絡結構,該網絡的終端節點布置在提升容器上盤,將采集的壓力信號轉換為電信號并經過調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為RS-485格式后傳輸至控制中心,通過串行通訊模塊實現與PC機的信號傳輸處理。

3)數據處理部分: 對解調后的鋼絲繩張力數據以及各種輔助判定數據進行分析, 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

系統上電后采集模塊按設計程序不間斷循環采集油壓傳感器產生的壓力信號、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,程序對采集信號進行濾波處理,排除極大值和極小值干擾,對有效信號進行算數平均處理。如果下位機接到上位機發出的信號發送指令,則通過ZigBee無線網絡將處理后的信號數據進行上傳發送,完成一次工作循環。

3.2 上位機軟件設計

上位機主程序在LabVIEW環境下開發設計,主要功能是結合提升容器位置信號、定量裝載裝置開關信號、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,滯煤質量超過設定范圍,則發出滯煤超限警報[4]。如果裝載量過大,導致張力值超限,則發出超重警報,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,監測信號顯示鋼絲繩的實際張力值小于規程規定的最小值,則發出松繩故障警報。如果鋼絲繩之間的實測張力差大于10%,則發出張力自動平衡失效的故障警報。系統對所有探測的故障做出報警響應的同時,還將故障類型、相關數據、故障時間等信息傳輸至數據庫進行備案處理[5]。系統監測主程序流程如圖3所示。

圖3 系統監測主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program in the monitoring system

3.3 上位機控制界面設計

為了最大限度地發揮系統的監視功能和控制功能,實現操控人員和監測系統之間高效的信息交流,設計了觸摸屏式控制界面。系統工作前,可以根據實際工況設置觸摸屏界面相關設備參數,確保系統正常有效工作。系統工作時,可以實時動態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、電池電量等監測值,實時掌握各個設備的運行狀態,當監測數值異常時會發出聲光報警。系統維護時,可以調取儲存在數據庫中的設備預警信息,方便維護人員排除設備故障源。

4 現場應用

該套礦井提升動態載荷無線監測系統在2016年9月在夏店礦安裝應用,在應用實踐中,該套系統能夠實時清晰地顯示提升鋼絲繩的動態載荷,并按照預設的邏輯程序進行信號處理,當發生提升容器卸載不完全、提升容器超載、張力差超限、鋼絲繩發生松繩等異常情況時,能夠及時發出聲光報警,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。數據庫統計數據顯示,在投入運行的一年半內,共發出卸載不充分預警8次,發出超載預警12次,發出張力差超限預警1次,發出松繩預警3次,并且所有預警均真實可靠,無誤報發生,操控人員在第一時間根據預警信號發現故障源,及時排除了運行故障,確保了提升工作安全進行。

5 結束語

該系統集無線射頻技術和可編程控制技術于一體,實現提升過程的全程動態實時監測,能夠對提升載荷超值、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。現場應用情況證實,該套系統可靠性高,精確度高,性能穩定,對確保礦井提升安全具有顯著的現實意義。