多繩摩擦式提升機鋼絲繩運行狀態在線監測系統的設計

趙 偉 張 永

（棗莊礦業集團新安煤業有限公司，山東 棗莊 277500）

1 引言

在多繩摩擦式提升機的作業過程中，常會出現配重不合理、超載、平衡缸壓縮值較大以及張力不均等故障。其中鋼絲繩張力不平衡、起吊過載是造成鋼絲繩斷裂和罐籠墜落的主要原因，不僅對井下工作人員產生嚴重威脅，而且嚴重制約煤礦企業健康可持續發展[1-2]。因此提升機鋼絲繩張力以及荷載監測，是解決繩脫槽、滑繩、斷繩等重大事故的關鍵。通過提升機鋼絲繩狀態在線監測，能夠對配重不均、提升過載、張力不均等故障及時發出警報，能夠有效避免鋼絲繩斷裂和罐體事故的發生[3-4]。

棗莊礦業集團新安煤業公司井下安裝4 部斜巷提升機，集中二級軌道選用的是上海冶金礦山機械廠的 JKMD-3.25×4（Z）落地多繩摩擦式提升機，提升高度為482. 5 m，最大提升速度7. 15 m/s，最大提升載荷16 t。井筒內提升容器為一對1 t 兩層四車鋼罐道罐籠，滾筒寬度為2 m，滾筒直徑Φ2.5 m。安裝南陽防爆集團生產的YBBP450M-10 型電機，電機功率280 kW。電控系統采用天津民益電氣有限公司生產的TKM-B/D-D2-6280 型電控系統，一次提升9 輛礦車。多繩摩擦式提升機在工作過程中，由于各鋼絲繩間受力不平衡，導致各鋼絲繩和摩擦襯墊的磨損不均勻，從而影響鋼絲繩和摩擦襯墊的使用壽命。研究新安煤礦提升機鋼絲繩的張力和過載監控系統的主要目的，是使用科學可靠的檢測方法來實時監測每條鋼絲繩的張力，能夠有效防止事故的發生[5]。

2 在線監測系統研發

（1）系統原理及技術要點

國內煤礦多繩摩擦式提升機大多采用液壓式張力自動平衡裝置。由于液壓式張力自動平衡裝置采用的是半調壓的工作方式，即四根鋼絲繩工作時只有一側開啟連通油缸，這側鋼絲繩張力是相等的，另一側平衡裝置失去效用，四根鋼絲繩就有明顯張力差。在多繩提升鋼絲繩張力自動平衡懸掛裝置的每個滑塊和活塞桿之間安裝張力壓塊傳感器，每個提升容器上安裝4 個張力壓塊傳感器，監測每根鋼絲繩張力和總載荷，并能在線監測張力差。張力壓塊傳感器安裝在上下運行的罐籠和箕斗上，在提升容器上安裝本安型采集發射箱及無線發射模塊，采用充電電池供電，將張力數據發射到與地面聯接的無線接收模塊，后經RS485/CAN 通信傳輸至車房地面數據采集箱。LCD 顯示屏實時處理通過WiFi通信傳輸過來的數據，并實時顯示。上位機繪制張力變化曲線，實時監測張力數據并根據張力數據及平位信號（罐籠上、下平位到位信號）計算和顯示罐籠的載重量和鋼絲繩張力差，提升前監測超載。若超載切斷提升安全回路使不能提升，其它故障發生時發出語音報警信號，將報警數據載入數據庫以備查詢。系統監測原理如圖1 所示。

圖1 提升機鋼絲繩張力及超載監測系統原理圖

（2）設計思路

① 提升機鋼絲繩張力傳感器的研制

對監測對象進行深入分析，針對提升機鋼絲繩的安裝方案是：在鋼絲繩自動張力裝置的活塞桿底部安裝張力差傳感器。共提出四種安裝提升鋼絲繩張力傳感器方案：壓力張力差傳感器安裝在鋼絲繩張力自動平衡裝置活塞桿的底部；總張力通過在天輪的軸承座下安裝的軸承座張力傳感器測量得到；旁壓傳感器連接繩環附近的鋼絲繩上；井上井下數據通訊方式以及數據可靠性保障措施設計。

② 數據通信研究及通信抗干擾設計

根據系統的數據傳輸特性，提升設備與井上通訊方式采用安全可靠的無線傳輸，無線傳輸數據過程中依據分時通信原理；井口與控制室中上位機采用RS485 通訊協議；由于井下機電設備較多，還應根據實際情況采用降低電磁干擾措施，保障數據實時可靠。

③ 提升機閉鎖功能設置

當負載超過最大允許負載時，系統會自動發出警報，并通過輸出繼電器節點斷開起吊安全電路以防止起吊。其中鋼絲繩自動平衡懸掛裝置處安裝張力塊傳感器，通過滑塊和活塞桿之間、活塞桿與罐籠之間產生的壓差，將張力差和總載荷等數據通過傳感器實時監視。在上下運行的罐籠和鏟斗上安裝張力塊傳感器，本安型采集和傳輸箱以及無線傳輸模塊安裝在提升容器上，電源由可充電電池供電，并且井下張力數據通過無線傳輸到地面接收模塊，經過RS485 和CAN 通訊模塊，傳輸到車庫終端接收箱。LCD顯示屏處理通過WiFi通信傳輸的數據后，由LCD 顯示屏實時顯示。主機根據數據繪制張力變化曲線，根據張力數據和液位信號實時監控張力數據，計算并顯示罐籠的承載能力和鋼絲繩張力之間的差異，提升之前監控過載情況。如果監測到過載會切斷安全電路以防止起吊，在發生其他故障時將發出語音警報信號，通過數據庫查詢報警信號。

為保證數據傳輸安全可靠，采用分時通信。罐籠位置監測裝置將相關數據發送給上位機，上位機通過數據分析得到罐籠運行位置，根據罐籠的位置先后分別驅動罐籠位置對應的無線接收模塊去和離該接收模塊最近的采集發射裝置進行通信。

此外，采集與傳輸模塊采用響應式通信方法。無線接收模塊發送傳輸數據的指令給采集發送模塊，采集發送模塊發送傳感器采集的相關數據，經過簡單的計算A / D 轉換結果，并發送設備編號，A / D 轉換結果以及設備編號會同時發送給上位機，上位機接收到相關數據進行計算驗證。

（3）監測系統功能實現

① 實時數據處理顯示軟件的設計開發

數據存儲采用內置鐵電存儲器和SD 卡方式，采用文件系統進行數據管理。數據存儲格式為Excel 打開的CSV 文件。系統定時監測存儲卡容量，自動刪除舊文件，保持卡內空間的可靠。故障及報警記錄是單獨存儲，只存儲最近的100 條數據，并將其顯示出來。程序設計上包含故障記錄的編碼、排序、調取、內容顯示部分。

② 局域網絡發布功能

根據軟件系統設計的局域網網址，將軟件控制系統的實時界面與網站共享，通過瀏覽不同的網頁，實現不同系統功能的監測，解決了監測系統地域性問題，能夠在緊急情況下及時作出反應。

全硬件方式的提升機鋼絲繩狀態監控裝置，旨在解決提升機起重過程中的安全隱患，通過特殊設計的張力壓力傳感器和采集發射盒（AVR 系列單片機、TLC25431 無線信號接收盒）、無線信號接收箱（RS485 /CAN 通訊模塊）和自行開發的監控分析軟件進行分析，分析所收集的數據并處理，實時顯示鋼絲繩和提升容器張力情況及負荷量，一旦監測數據超過額定數值，該系統會發出警報。系統具有實現實時數據的監測以及曲線繪制功能，能夠通過張力曲線變化，及時發現問題，并且對監測數據存儲供以后查詢。

3 結語

礦用提升機在工作期間必須要保證其可靠性，基于全硬件方式的提升機鋼絲繩張力和負載在線監控系統，可以監控和報警張力不平衡、起吊過載、過載差值、卸載不凈和其他故障，在提升機每次運行前，監測系統會自動驗證荷載量和荷載差，當檢測不合格時無法進行作業。該系統可以實時監控提升機的運行狀態，及時發現鋼絲繩張力及載荷變化情況，并在出現問題之前進行預防，從而確保了提升機的安全運行，在煤炭行業具有廣闊的應用前景。