多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監測技術的研究

崔曉明

（潞安集團余吾煤業公司， 山西 長治 046103）

引言

多繩摩擦式提升機以其顯著的優勢被廣泛應用于礦井提升領域中。如何采取措施保障多繩摩擦式提升機的運行安全和可靠是煤礦企業面臨的重要問題。鋼絲繩張力是反應提升機運行可靠性的重要方法[1]。基于此，本文設計研究了一套多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監測系統軟件，對于確保提升機運行的可靠性和安全性有非常重要的實踐意義。

1 多繩摩擦式提升機總體情況概述

1.1 提升機基本參數信息

研究對象為多繩摩擦式提升機，最大提升高度為558.9 m，滾筒直徑為4 m，提升速度和加速度分別為8 m/s 和0.6 m/s2，最大載重為26 t，載重差可以達到13 t。

1.2 鋼絲繩張力特性分析

多繩摩擦式提升機在正常工作過程中鋼絲繩速度和張力變化可以劃分成為6 個階段。如圖1 所示為提升機提升過程六個階段的速度變化情況。

1）初加速階段。由于此時提升機提升距離尚小，使得尾繩懸掛長度增量也很小。在此過程鋼絲繩張力增加程度不是非常大[2]。

2）主加速階段。提升機以較快的加速度進行提速，鋼絲繩張力會出現突變急劇增加，待加速度穩定后張力也隨之穩定。

3）勻速階段。勻速運行階段的加速度為0，鋼絲繩張力顯著降低。尾繩懸掛長度快速增加，鋼絲繩張力以較慢的速度線性增大。

4）主減速階段。由于處于減速狀態，鋼絲繩張力會出現降低的趨勢，但提升機仍然處于上升狀態，所以尾繩質量會持續加大，使鋼絲繩張力又會呈現一定程度的增加。

圖1 提升機提升過程六個階段的速度變化情況

5）爬行階段。此階段鋼絲繩以較慢的速度爬行，鋼絲繩張力會持續增加，但增加速度較慢，在該階段末尾鋼絲繩張力達到最大值。

6）末減速階段。這個階段持續時間非常短，所以鋼絲繩張力不會出現明顯變化。

基于以上分析可知，在整個工作過程中，鋼絲繩張力處于持續變化的狀態。因此，對鋼絲繩張力進行監測，是提升多繩摩擦式提升機工作穩定性的基礎。

2 鋼絲繩張力監測總體方案

如下頁圖2 所示為多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監測總體方案結構示意圖。比如容器A，將傳感器安裝在平衡裝置油缸內部的滑塊和活塞之間。收集得到的數據信息通過發射箱發射傳輸至無線模塊，然后以無線的方式傳輸到信號接收箱中，采集得到的模擬量信號通過位于絞車房的數字量采集箱轉換成為數字量信號后輸送至上位機中[3-4]。由上位機中的控制器對采集到的數據信息進行分析處理，并得到結論。與此同時，提升容器的到位信號以及位置信號都需要一同傳輸至上位器中，上述的兩個信號分別通過位置傳感器以及雙霍爾傳感器采集得到。

由于本文所述的提升機最大提升高度為558.9 m，采用的是無線電磁波傳輸方式。在如此深的礦井中，電磁波傳輸時可能發生數據丟包問題，導致失真，可靠性顯著降低。為保障提升容器位于井底時數據傳輸的可靠性，在礦井的中部位置還增加設置了信號接收箱，通過該信號接收箱實現數據傳輸過程中的中轉，可有效避免數據傳輸丟包現象[5]。由于礦井中部位置和井口位置都設置了信號接收線，所以要在系統中設置信號傳輸的定向性，避免出現信號傳輸時的混亂。通過本安電源對信號接收箱進行供電，壓力傳感器通過礦用隔爆鋰電池進行供電。

圖2 多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監測系統總體結構示意圖

3 鋼絲繩張力監測軟件開發

通過LabVEW2017 軟件設計開發鋼絲繩張力監測軟件，使張力監測結果能夠更加直觀地呈現給操作人員。基于模塊化思想開發該軟件，具體而言，包括數據通信模塊、數據存儲和查詢模塊、故障數據信息去噪模塊以及數據監測報警模塊。

3.1 數據通信模塊

根據總體方案可以看出，鋼絲繩張力監測方案中通信是其中非常重要的構成部分。通過分時通信方式實現數據信息的傳輸。如圖3 所示為鋼絲繩張力監測系統的通信流程圖。上位機控制器首先根據雙霍爾傳感器采集得到的數據信息分析提升容器所在位置。在得到提升容器具體位置信息后，信號接收箱直接與相對較近的提升容器采集發射箱進行通信。也就是說，當提升容器處在礦井中部以上區域時，通過井口部位的信號接收箱接收傳感器采集得到的數據信息；而當提升容器處在礦井中部以下區域時，通過礦井中部位置的信號接收箱接收傳感器采集得到的數據信息，再將其傳輸到井口部位的信號接收箱。最后數據信息被輸送至上位機中進行分析和處理[6]。本系統中涉及到的通信主要包含4 個部分，分別為數據收發裝置之間的通信、無線模塊之間的通信、上位機與井口LED 屏幕之間的通信、上位機與下位機之間的通信。

3.2 數據存儲和查詢模塊

圖3 鋼絲繩張力監測系統通信流程圖

在本系統中需要測量和存儲的數據量是很多的，所以必須構建一個方便快捷的數據庫，實現對數據信息的存儲和查詢。利用Access 來搭建數據庫。結合張力監測系統的實際需要，設計的數據庫主要包含以下幾部分內容：用戶信息數據表、張力監測數據存儲表、報警記錄存儲表。分別用來存儲用戶信息、張力監測結果以及系統根據監測結果發出的報警信息。

3.3 故障數據信息去噪模塊

設計的監測軟件具備有報警功能，當系統分析判斷發現各鋼絲繩張力存在問題時，比如，提升機的額定容量為26 t，當提升容器內裝載的質量超過額定載重后系統會報警；各鋼絲繩間的張力存在顯著不平衡、鋼絲繩存在較大瞬間沖擊等也會發出報警，以達到警示工作人員的目的。工作人員在接收到系統的報警信息以后，需要立即根據提示信息對提升機進行檢查，盡快排除故障問題。

但是傳感器在采集鋼絲繩張力數據信息，以及數據信息在傳輸過程中，數據信號會受到外界干擾導致內部會包含有一些噪聲。這些噪聲的存在會影響上位機控制器的分析和判斷。因此，有必要對傳感器采集得到的數據信息實施去噪處理，通過監測軟件中的去噪模塊實現該功能。

3.4 數據監測報警模塊

如下頁圖4 所示為多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監測軟件界面。整個界面劃分成為不同區域，主要有張力顯示區域、系統狀態指示區域以及動畫模擬區域等。鋼絲繩的張力變化過程可以通過張力曲線進行顯示，并且每一時刻的張力大小會以數字的形式顯示。通過動畫模擬區域可以展示提升機的整個運行狀態。系統指示區域則顯示整個監測系統的運行狀態，比如通信狀態、電池容量等是否正常，最重要的是顯示鋼絲繩的運行狀態。如果通過監測發現鋼絲繩張力存在故障問題，比如張力超載、各鋼絲繩之間的張力不平衡、鋼絲繩張力存在瞬間沖擊等，都可以在狀態指示區域進行顯示。如果鋼絲繩張力存在問題時，對應的指示燈就會由綠色變成紅色，同時系統還會發出語音警報聲音以提示工作人員。

圖4 鋼絲繩張力監測系統主界面

4 運行效果

將本文設計的多繩摩擦式提升機鋼絲繩張力監控系統應用到礦井實踐中，取得了較好的應用效果。在長達3 個月的實踐運行過程中，多次發現并報警了提升機在運行過程中的超載問題、張力不平衡、瞬間沖擊等問題。利用該系統能夠及時發現提升機存在的安全隱患，將各類小問題扼殺在萌芽階段，避免引發更大的安全事故。本系統的應用顯著提升了提升機運行的可靠性。