關于多繩摩擦式提升機安全系統的設計研究

張永浩

（潞安集團余吾煤業公司， 山西 長治 046103）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷推進，傳統的單繩纏繞式提升機已經無法滿足實際使用需要，當前使用更多的是多繩摩擦式提升機，該種類型的提升機性能更加優越[1-3]。但多繩摩擦式提升機由于需要提升的煤礦物料非常重，導致其在運行過程中不可避免的會出現一些安全問題[4]。其中最典型的問題包括提升容器傾斜問題和振動問題、鋼絲繩張力問題等[5]。因此，有必要設計一套安全系統對提升機常見的安全隱患進行監控。做到及早發現、及時排除，從根本上保障多繩摩擦式提升機的安全運行[6]。

1 多繩摩擦式提升機結構介紹

多繩摩擦式提升機的工作原理主要是依靠鋼絲繩與滾輪之間的摩擦力進行工作。如圖1 所示本文所研究的多繩摩擦式提升機結構示意圖。提升機的具體參數如下：滾筒直徑4 m，提升高度558.9 m，提升速度8 m/s，加速度0.6 m/s2，最大載重26 t，載重差13 t。圖中所示的提升機結構因為很多設備是直接在地面中進行安裝，即便在使用過程中出現故障問題，可以方便快速檢查并排除故障問題。

2 提升機安全系統總體設計

2.1 安全系統總體結構

綜合考慮礦井實際使用需要，設計研究多繩摩擦式提升機安全系統，如圖2 所示為安全系統工作原理基本框圖。系統中根據實際使用需要選擇了有線和無線兩種監測傳輸技術。根據總體框架需要對提升機容器傾斜情況和振動情況、鋼絲繩張力進行檢測，由于這些傳感器需要隨著提升機容器一起運動，因此通過無線傳輸技術實現數據傳輸。而尾繩部分的監測是不需要移動的，為了提升數據傳輸的可靠性，通過有線傳輸技術實現數據的傳輸。

圖1 多繩摩擦式提升機結構示意圖

圖2 安全系統工作原理基本框圖

安全系統總共由三大部分構成，分別為下位機、組態監控軟件以及上位機。井下PLC、傳感器、數據發射器等構成了下位機，井上PLC 以及數據接收器等構成了上位機。提升機在運行過程中，操作人員可以基于組態監控軟件向上位機下達數據采集命令，上位機收到命令后馬上向下位機發送對應的命令，通過下位機中的各種傳感器對提升機的運行狀態數據信息進行采集。下位機在收集得到提升機狀態數據信息后，通過通信網絡將其傳輸到上位機中，上位機再將數據信息傳輸至組態監控軟件。然后由組態監控軟件對采集到的數據信息進行存儲并顯示給操作人員。所有傳感器的安裝不得影響提升機的正常工作。

2.2 傳感器類型及其安裝部位

傳感器是整個安全系統的基礎，安全系統必須基于傳感器收集得到的數據信息才能夠開展數據分析工作，進而判斷提升機的運行狀態，是否存在安全隱患。傳感器的安裝位置直接影響著測量結果精度，以及傳感器工作時的可靠性。所以必須在充分分析提升機結構特點的基礎上設計傳感器的安裝位置。如圖3 所示為安全系統中各傳感器在提升機中的安裝位置，需要用到的傳感器類型具體見圖。

圖3 安全系統傳感器布置情況

3 安全系統硬件選型設計

3.1 無線采集發射和地面信號收發裝置

安全系統用到的各類監測設備必須做到體積盡可能小、重量盡可能輕。基于上述的裝置選用原則，系統中的下位機傳感器數據信號采集、處理以及發送等任務通過無線數據采集終端RTU 完成。無線采集發射裝置發射出去的數據信號需要有對應的接收裝置，該裝置稱為地面信號收發裝置。收發裝置接收到數據信號以后，將其輸入到上位機中進行存儲并顯示。安全系統中無線采集發射裝置以及地面信號收發裝置全部使用nRF905 無線模塊。

3.2 供電電源

各無線傳感器需要通過電源對其進行供電才能夠正常穩定工作。由于采用的是無線傳輸模式，所以需要通過可移動式電源對其進行供電。在綜合考慮礦井實際環境、成本、環保等多方面因素的基礎上，最終選用鉛酸移動電池電源，供電電壓為24 V，可滿足實際使用需要。鑒于提升機的工作環境復雜，為了保障電源的絕對安全，將電源放置在防爆盒內進行保護。另外，為了鉛酸移動電池電源電量時刻保持充足，設計研究了小型發電裝置，該發電裝置可以利用提升機的上下運動帶動發電機旋轉達到發電的目的。但是提升機的運行速度不是勻速的，所以發電機的發電電壓肯定不穩定。考慮到發電機輸出電壓不穩定，還需要利用整流器對發電機的輸出電壓進行整流，確保鉛酸移動電池電源充電電壓的穩定。通過以上流程實現對鉛酸移動電池電源的充電，保證電源的電量能夠正常供應。

3.3 可編程邏輯控制器PLC

系統的上位機和下位機中都要用到可編程邏輯控制器PLC。基于PLC 完成遠程數據信息的采集有很多優勢。比如，PLC 能對故障進行自診斷，所以故障率非常低；PLC 上通常帶有發光二極管，通過燈光指示能夠快速找到故障問題，并對出現問題的元件進行更換，就可排除故障。出于性能考慮，系統中使用的PLC 全部選用西門子公司生產的產品。另外，在考慮性價比的基礎上，選用的具體型號為S7-300CPU315-2D。這種型號的PLC 具備有較大的存儲器和集中式I/O 接口，大的存儲期能夠保障PLC 同時處理多條指令，在工業領域得到了廣泛應用。

井下PLC 的作用是對各種傳感器數據信息的采集、傳輸和處理過程進行控制。井上PLC 則直接與計算機系統進行連接，PLC 將傳感器采集到的數據信息在計算機中顯示。工作人員通過觀察顯示器中的狀態數據信息就可以掌握提升機的運行狀態。操作人員還可以通過組態監控軟件向井上PLC 發送指令，井上PLC 將指令轉達到井下PLC，井下PLC開始啟用傳感器對提升機運行狀態數據進行采集。然后沿著相反的路徑傳輸到組態監控軟件中。

4 安全系統軟件程序設計

如下頁圖4 所示為本文設計的多繩摩擦式提升機安全系統軟件界面。從圖中可以看出，安全系統可以對提升機多個方面的安全狀態進行監測。通過各個安全監測模塊能夠實時顯示提升機的工作狀態數據。工作人員通過顯示器中的狀態數據信息能夠判斷提升機的安全狀態。最重要的是，當安全系統判斷提升機工作狀態不良時，會發出警告與提醒操作人員，包括聲音警報和指示燈警報。

圖4 多繩摩擦式提升機安全系統軟件界面

以提升機容器振動情況為例。通過安全系統軟件能夠實時顯示振動加速度傳感器收集得到的數據信息，并繪制加速度值隨時間的變化曲線。工作人員通過觀察曲線能夠掌握提升機的加速度狀態。當提升容器的加速度超過了系統設定的閾值時，系統就會向外發出警報。不僅通過指示燈進行警報，還會發出刺耳的聲音警告。通過軟件界面還可以調用系統存儲的歷史數據，以便對前期故障問題進行深入分析。本文所研究的提升機最大加速度值為0.6 m/s2，當系統檢測到提升機容器加速度超過該值就會馬上發出警報。

5 結論

提升機安全系統通過多種類型傳感器對提升機的運行狀態進行監測，包括提升載荷狀態、容器傾斜和振動狀態、鋼絲繩受力狀態、井底尾繩磨損狀態等。安全系統在實踐中取得了很好的應用效果，在保障提升機安全方面發揮著重要作用。