單繩纏繞提升機金屬井架變形實時監測系統的應用設計

張國軍 張紅光 蘇海濤

（1.兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東 鄒城 273500； 2.兗州煤業股份有限公司濟南煤炭科技研究院分公司，山東 濟南 250000）

1 引言

鋼結構井架作為礦用承載提升系統的關鍵地上建筑物，所承載作用不容小覷[1-3]。鋼結構件變形在井架故障過程中扮演著重要角色，對其進行狀態監測與故障診斷是十分必要的[4-6]。

本文對南屯煤礦單繩纏繞提升機鋼結構井架進行實時監測系統的研究與設計，對煤礦井架鋼結構變形展開實時監測記錄分析，掌握井架結構在提升系統運行過程中的實時變化趨勢，分析井架主體結構完好、可靠性，從而有針對性地制訂鋼結構井架的維保措施，在保障提升安全運行方面扮演重要角色。

2 系統工作原理

南屯煤礦提升機鋼結構井架實時監測系統主要由應變檢測裝置、采集發射裝置、上位機、報警裝置等組成。應變設備對鋼結構井架進行應變數據采集并將采集數據以無線電波方式上傳給無線采集發射裝置。無線接收發射裝置接收由無線采集發射裝置上傳的信號，上傳給上位機，上位機組態軟件通過對數據進行分析、處理，在組態軟件上進行數據顯示、畫面顯示及報警顯示，當應變值超限時，上位機識別報警，報警裝置感應，同時提升電控系統做出反應，保障系統安全。系統工作原理圖如圖1。

圖1 系統工作原理

當彈性元件在力的作用下發生彈性形變時，使得與之相連的電阻應變片也發生相應的形變，從而引起應變敏感元件電阻值的變化。此時通過測量電壓的變化間接地反映被測物體所受壓力的變化，電阻應變傳感器就是通過應變片將應變的變化轉換為電阻的變化。為了防止微小變化導致的測量精度不夠、反應不靈敏等問題的產生，對其使用惠斯通橋式電路，使用組合的測定方式能夠對沖擊現象實現測量。

井架鋼結構的監測由應變片完成。將應變片粘貼于被測物表面，當被測物受外部載荷作用發生應變時，應變片會發生相應的變化，其中的金屬箔柵同時發生機械性形變從而引起電阻值發生變化。應變片監測方法，就是利用電阻值的變化測定應變數據及其變化。

應變片中電阻變化率與應變對應公式：

式中：R 為應變片的原電阻值，Ω；Δ R 為伸長或壓縮所引起的電阻變化，Ω；K 為比例常數（應變片常數）；ε 為應變。

傳感器是井架數據采集的先頭兵，能夠及時反映井架的狀態情況。傳感器作為數據采集的電子設備，易受受測結構、外部環境、磁場、電源設備等方面的干擾，傳感器的安裝位置決定著數據采集的準確性、可靠性。所以，傳感器安裝位置設計，需要多加考慮和重視。

圖2 應變傳感器安裝示意圖

根據上述計算分析，將應變傳感器安裝位置確定在對應部位。如圖2 所示，應變片安裝井架所對應的立柱、斜架、天輪平臺。安裝過程中，應變片的粘貼應注意，提前用紗布、酒精等進行除銹、潔凈表面，防止粘貼過程中有氣泡和傾斜；注意接線處應固定良好且做絕緣處理，防止扯斷或漏電；導線應貼合固定于井架上；變送器和應變片近距離固定安裝于井架上。

3 系統硬件

面對提升系統的復雜工作環境，為了提高監測的準確度和信號的傳輸效率，在傳感器的選擇設計上應實現其小型化和高集成的特點，對信息的采集、處理及發送過程采用模塊化集成設計。應變傳感器從使用環境、選用原則上進行考慮。

井架用應變片選用金屬材質的全橋應變片，散熱好，可以最大限度地消除因電阻發熱導致的噪聲，應變電阻為250 Ω，應變片匹配RC-A3N 系列壓力變送器，放大電路板主要配套于微小型壓力變送器殼體（直桿型/棒狀/L 型）。該電路板采用新型設計思路，加強線性優化，抗（變頻器）干擾等處理，使得變送器在使用過程中穩定性大大提高。

數據采集收發裝置采用XL80 智能轉換裝置，用于傳感器節點通信的協調，實現通訊管理、協議轉換、數據采集和處理、轉發等功能，構建穩定可靠、安全的智能傳感網絡。

建立參數越限報警發布機制，實現礦井井下與井上數據的移動互聯。手機app 客戶端通過云端服務器與監控室的操作主機進行聯網，將井架設備的運行參數上傳到手機客戶端，只要手機與監控主機同時聯網就可隨時隨地查看設備的運行情況。當某些參數超過了設定值時，提供報警推送功能，提示設備運行的故障點，并且當輸入正確的用戶名和密碼時，可控制提升機電設備的遠程啟停，界面友好，操作簡單、方便。

為實現前端傳感系統信號采集處理傳輸的高效性，采用無線數據采集終端RTU。無線采集發射裝置原理圖如圖3。

圖3 采集發射裝置原理圖

4 數據分析控制系統軟件

在監測系統應用之前，需要對數據分析控制系統軟件進行開發使用。軟件的設計開發基本滿足功能性、時效性、可靠性、可拓性、簡易操作等原則要求。為了防止軟硬件不匹配影響數據傳輸的時效性，采用信利智能采集發射裝置相匹配的信利軟件XL.View。

5 現場測試

對通信分站與主機、路由器、無線AP 等設備進行通訊測試。每個分站設立4 個RS485 接口，以主從式、半雙工傳輸方式與設備通訊。為每個數字綜合保護裝置進行唯一編碼，通過485 接口將本身的信息傳給通訊分站，分站通過編碼確定各個保護裝置傳遞來的信息進行處理并發出指令。通信分站、監控主機與路由器進行通訊測試。通信分站設立4路網絡接口，以TCP/IP 傳輸方式進行通訊。分站將設置相同IP 地址，均通過主機與上位機進行通訊。

將井架鋼結構應變片變送器通訊接口接入4 個通訊模塊集成打包, 然后監控主機用無線通訊與路由器通訊，路由器通過網線與上位機進行通訊。在井架立柱根部、井架腰部以及天輪平臺靠近軸承座等位置安裝6 枚應變片及相應的變送器，地面遮雨沿處安裝變電箱。通過無線設備將數據等傳到地面監控主機。

對金屬井架安全實時監測及動態分析系統、設備故障遠程診斷虛擬系統、井架狀態監測參數越限預警手機app 系統等進行安裝調試。

本系統采用MYSQL 服務器提供原始井下數據，對實時數據進行采集存儲，通過編寫接口協議文檔，以JDBC 通信協議與數據庫相連。它可以為多種數據庫提供系統訪問，并通過Java 語言編程構建更高級的數據應用程序。

為驗證該系統理論的正確性和可行性，對系統進行現場測試。監測系統性能測試地點選為南屯煤礦副井井架，通過對井架桁架、立柱、斜柱等部分應變的監測，確定該監測系統的使用性能。

圖4 測試監測界面

當監測設備之間有信號傳輸時，組態畫面中顯示應變信號數值，如圖4。在提升機運行的過程中，應變信號會發生不規律的變化，其中在停關機的過程中尤為明顯，此時信號的傳輸正常。若組態畫面中加速度數值顯示“？？？”時，則表示信號中斷，設備中間的信號傳輸不正常。通過現場的安裝測試，監控畫面能夠實時更新數據，表明信號傳輸正常。

該項目的實施完成大大提高煤礦設備管理現代化水平，引入安全高效快捷的網絡化監測和預警處理系統，用極短時間做出準確判斷，找到故障點并采取針對性處理措施，進而實現高效生產，經過系統化的測試驗證了井架實時監測系統的可靠性與實用性。

6 結 語

通過對南屯煤礦副井井架鋼結構變形實時監測的現場測試，并分析其測試數據，驗證煤礦井架鋼結構變形實時監測系統在井架安全監測中應用的可靠性及實用性。通過現場試驗運行和理論分析，本監測系統能夠完成對井架使用狀態的實時監測、記錄，為礦井維保人員提供可靠的數據支持。