罐籠動態檢測系統研究與應用

梁云峰，李曉林

（中煤西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引言

目前，我國主要用于檢測罐籠運行位置的系統為電控系統，該系統使用編碼器或顯示器對卷筒旋轉帶動深度進行計算，借此進行罐籠位置的判斷。但電控系統無法判斷實際位置，因此若罐籠在礦井內出現卡罐問題時，電控系統無法實時檢測此問題是否出現。若此時處理不當，則會導致鋼絲繩松弛進而引起罐籠滑落事故，由此發生罐籠墜井等此類對相關礦井工作人員生命安全造成嚴重威脅的事故。例如在2012 年的山東臨沂，某礦洞就出現了相當慘烈的事故，造成了13 人的死亡。

經過專組調查發現事故的原因就是副井罐籠鋼絲繩斷裂，導致罐籠墜落井底。如果能夠有更先進的技術提前預判到事故的發生，就完美避免了此等人間慘劇。為了礦業的可持續發展，出于對礦井員工的生命負責的態度，從以人為本的核心科學理念出發，改進罐籠動態檢測系統技術，研究罐籠動態檢測系統技術顯得尤其有必要。當今礦業內部雖然對罐籠動態檢測的電控系統進行了安全性優化，但因罐籠實際位置判斷問題難以解決，因此松繩保護措施僅對異常罐籠位置提供了安全保護，無法保障檢測出罐籠在礦井內的實際位置狀態。因此本文將提出一些理念對罐籠動態檢測技術進行一些優化，希望能夠為我國罐籠動態檢測系統技術貢獻出微薄之力，為礦業行業發展保駕護航。

1 罐籠動態檢測系統研究的背景與意義

1.1 罐籠動態檢測系統研究的背景

作為能源生產大國，我國的煤炭資源一直在世界各國中名列前茅。我國原煤產量在2007 年就可以達到25.23 億t，平均每年我國原煤產量漲幅能夠達到12.5%，這是一個驚人的數字。由此我們可以發現，我國煤炭資源將會長期占領我國能源供應領域，但與之相對應的是我國礦難的發生頻率，雖然隨著時代的發展和技術的改進，國家政策上的重視，也沒能徹底改變我國礦產事故上一些問題，每年因為礦難死去的工人不計其數，給無數家庭帶來了黑暗，同時也給國家造成了嚴重的損失。

一個礦井的運作少不了礦井提升設備。礦井提升設備負責地面與井下的連接，負責運載井下開采出來的礦物及石塊，同樣也肩負著運輸工作人員與礦業相關設備的重任，由于其使用足夠頻繁，設備本身也足夠精巧復雜，礦井提升設備在工作過程中總會出現各種各樣的問題，造成礦井出現各種事故，例如墜井、停產等，嚴重損害了礦業發展前景，也是礦業不穩定的安全隱患之一。一個完整的礦井提升設備構成主要有6 個部分負責[5]。

礦井提升設備按照提升容器分為罐籠和箕斗兩大類型，箕斗僅僅只能運輸輸送礦物這一類，罐籠不僅可以運輸輸送礦物類產物，還可以運輸承重其他的一些工作材料和工作人員。因此各大礦井對于礦井提升設備的選擇還是選擇罐籠偏多，因此對于罐籠的安全技術檢測就更為重要，因為這涉及人員的安全問題。隨著我國礦產礦業的不斷發展，隨著我國在礦業技術上的不斷提升，各大煤礦產區都選擇采用了大型罐籠式礦井提升機，但是大型罐籠式礦井提升機體積過于龐大，所承載的產物重量和人員容納量也是普通罐籠的幾倍，為了保障提升機的安全運行，定期對罐籠進行一個徹底的檢測是很有必要的，工作人員時刻把握住罐籠的運行狀況，以免發生突發情況和事故[6]。

作為井下與地面連接的必要通道，礦井提升設備的日常維護需要工作人員與技術研究人員的費時費力，才能保證日常運行的穩定，由于礦井提升設備動態檢測系統較為隱蔽，設備內部結構也十分精密復雜，哪怕日常技術維護與檢測出現一絲不確定或者不到位，都會造成嚴重的后果。一個罐籠的大小由井筒的直徑決定，目前國內礦區基本上規模較大，因此罐籠的構架也越來越大，裝載的人員數量也隨之增多。這也就導致了一個后果，但凡發生罐籠提升系統失效的謬誤，就有可能導致甚至上百人的生命受到損害。經過專業技術人員對罐籠提升系統導致的礦難的研究總結與風險評估，讓我們發現這些礦難發生的原因主要有以下幾點：工作人員操作失誤、檢測裝置失靈、連接的鋼絲繩出現問題等。雖然我國礦業的開采與發展走在時代的前列，但是礦難發生的頻率以及礦難的規模依舊是一個大大的難題，如今各個產業鏈對于礦資源的需求越來越高，礦業的開采深度也隨之加深，這也就意味著我們的礦產行業需要更加安全的罐籠提升系統，對于罐籠的安全性檢測技術也需要更大的進步與發展。因此，我們相關的技術行業需要對罐籠的安全檢測技術投入更多的精力，從當前技術中的不足之處入手，大力鼓勵新型技術的研制。

1.2 罐籠動態檢測系統研究的意義

該項研究是罐籠動態檢測系統的安全性研究中不可或缺的一環，本文將會對罐籠動態檢測中的超速、狀態及安全檢測等方面展開仔細的論述，著重介紹一些相關的技術，分析這些技術系統運作的原理。通過以上論述，探討罐籠動態檢測系統中該如何去提高安全性，又該如何優化整個動態系統的運行效果。從基本的原理入手，可以從根本上去了解罐籠動態檢測系統的運作與維護機制，同時也可以從方方面面上去解決罐籠的安全隱患問題。通過專業人士對罐籠安全隱患的風險評估，我們知道礦難發生的主要原因在于工作人員的操作以及連接的鋼絲繩。罐籠動態檢測系統的研究可以有效幫助我們及時發現相關的隱患問題，對罐籠提升系統中制動鋼絲繩和罐道鋼絲繩的斷裂、損壞的發現有著絕對積極的作用，對工作人員勞動強度的反饋和工作人員在操作上的失誤也有一個實時監控，有效減少工作人員的傷亡損失，設備的維修維護也能積極及時地反饋給相關技術層面人員。如此一來，生產效率呈現直線上升的模式，勞動成本的投入也隨之減少，一舉兩得。同時最大的意義在于能夠減少礦難的發生，也就減少了經濟效益上的損耗，對礦業發展有重大的作用，為社會也創造了巨大的效益[2]。

2 罐籠動態檢測技術概述

縱觀礦業行業發展現狀，在我國礦井行業內，最常見的一種檢測技術就是格雷母線技術，這項技術可以十分精準地檢測到罐籠位置，在多粉塵高濕度等復雜氣體環境中也可以保持長時間的穩定的工作狀態。這項技術對罐籠位置的實時監測精度可達5mm，在礦井作業中采用非接觸絕對位置檢測，并且無須相關工作人員頻繁地進行設備維護，在提高了系統安全檢測性能的同時，又可以提高礦井日常的作業效率。并且，格雷母線位置檢測并不會被外界的各種因素所影響，因為格雷母線技術對位置檢測的準確性，使得此種方法在罐籠動態檢測中能夠非常有效地提供罐籠于礦井中的實時位置，同時保持系統判斷的準確性，從根本上杜絕各項安全事故的隱患。

光柵安全檢測是用于對罐體兩端與罐籠之間是否存在阻擋物的檢測裝置，這項裝置通常會安裝在罐籠上下盤或者側壁。

在罐籠動態檢測中，系統還需要對礦井罐籠運行的速度進行實時的監控。在罐籠超速檢測中，首先需要通過系統對罐籠深度進行檢測，然后再由傳感器將監測脈沖輸入系統計算機，通過數據的處理最后獲得罐籠的深度。超速檢測主要適用于系統是否啟動超速制動這一安全措施中，這一項檢測可以為相關工作人員提供極大的安全保護，因此在這方面的研究不可或缺尤為重要。

3 罐籠動態檢測系統原理

光柵安全檢測裝置會基于不同工作狀態來進行不同方法的測試。在罐籠運輸人員時的工作狀況中，光柵檢測裝置通常安裝于罐籠上、下盤處，通過礦井井口的PLC 主機發射信號，此無線信號由上盤控制箱內的無線接收器接收，在信號接收后會啟動光線發射器。因此在罐簾參與檢測工作中，光線發射器發出的特定光束將會傳輸對接到另一側的接收器中，光柵由此步驟形成[1]。

電動罐簾將于兩側光線接收器收到信號，確保防爆殼之間無阻擋物存在，由接收到低電平信號的控制器下放罐簾，同時對井口的PLC 主機發射信號，進行關閉安全門、抬起搖臺等動作。等到載人的罐籠到達井底后，PLC 主機再次發射信號，通過兩側光纖發射器再次形成光柵確認是否存在阻擋物，確認無誤后上提罐簾，同時對井底的PLC 主機發射安全信號。在罐籠下降前與上升前光柵檢測過程中，若檢測處有檢測到阻擋物的存在，則聲光報警器會發出信號停止罐簾的動作，直至阻擋物移除后才會進行光柵形成的步驟，接著再控制罐簾下放的工作[3]。

罐籠裝料工作狀況則無須罐簾進行工作，會由井口的PLC主機發射信號，接收到信號的無線接收器控制光線發射器形成光柵，確認無遮擋物后則發射安全信號至井口的PLC 主機處，由控制器關閉安全門、抬起搖臺下放罐籠。

綜上所述，對光柵檢測裝置原理總結為：通過分析控制器內部的光束接受情況以及電路狀態，檢測罐籠罐簾附近是否存滿足安全間隙的要求，由此發射安全信號至井底和井口的PLC 主機，控制聲光報警器與罐簾升降狀態，光柵檢測裝置為提升系統實現了智能化，具有很高的可靠性與穩定性，光柵檢測裝置精密程度相當高，而且不會輕易受到外界因素的干擾，在后續的工作中也能發揮出優質的工作效能。

4 罐籠動態檢測系統功能與設計

4.1 系統及程序設計

基于上文對光柵安全檢測裝置原理的分析與總結，下文中將通過仿真實驗詳細展開對罐籠超速檢測裝置的原理分析及罐籠超速檢測系統的運作分析，本文中的仿真實驗與實際應用中使用的測速傳感器為雷達傳感器[4]。

罐籠超速檢測系統原理與構成組件如圖1、圖2 所示，通過系統初始化后對罐籠運行狀態的檢測，確認運行狀態正常后，通過雷達測速傳感器檢測罐籠速度是否超過限定值，而狀態確認后電機轉動則由單片機對其進行控制，罐道抱緊制動由超速保護自鎖裝置啟動，若下行過程中罐籠運動速度過大，則于抱緊致動后單片機控制雙繼電器恢復齒輪角度至初始位置，再次控制罐籠下行[7]。

圖1 超速檢測系統原理

圖2 超速檢測系統組成部件

超速檢測程序在LabVIEM 編程環境中運行，系統裝載了GOP 控制雙繼電器程序與ADC 對差頻信號程序，通過設計雙繼電器不得電、正向得電與反向得電三種狀態中的內部電路元件運行設計，結合雷達測速傳感器的使用進行GPI/ADC 驅動的開啟和關閉。上下機位串口通信程度通過UART 的初始化，設置特定波特率與字節參數，通過COM 串口為上位機發送字符串，以實現罐籠超速信息實時通知功能，讓地面工作人員知道實時情況，進而通過單片機對罐籠制動進行控制。另一方面，實時顯示罐籠運行速度程序則需要使用TFTLCD 驅動程序，通常與LCD顯示屏結合使用，其工作原理為：初始化LCD 為紅色，將ADC 采集罐籠速度素質轉換導入顯示屏，通過設置字符串與文字顯示速度及位置信息進行While 循環，達到實時顯示的目的[8]。

4.2 關鍵零部件分析與優化

罐道制動輔助裝置中，受到罐道直接施加的制動力部件為短連桿，通過ANYSYS 應力分析可得短連桿應力與變形云數據。

通過設置制動力為147000N 及輔助制動裝置制動力為73500N 進行制動優化后，罐籠制動時發生傾覆概率有所降低。通過分析2D/3D 相應曲面圖可得，短連桿厚度對短連桿總體變形影響最大，其長度對總體變形影響程度最小；通過局部靈敏度分析可得，短連桿厚度對應力影響最大，長度對應力影響最小；通過靈敏曲線可得，短連桿厚度對安全參數影響最大，長度對安全參數影響最小。因此在對輔助制動裝置優化時應優先考慮短連桿厚度參數，以便獲得最佳優化結果。

4.3 運動特性

在短連桿優化測試實驗中，通過同時對左、右短桿運動分析可得其運動特性。在短連桿質心X 方向運動分析中。左短桿質心最小與最大位移值為-216mm/-456mm，右短桿質心最小與最大位移值為216mm/240mm。通過實時運動軌道分析可得，短連桿質心位移關于中心軸堆成且運動平緩，因此在制動過程中可有效緩解剛性沖擊。

在運動過程中，左短連桿正方向最大運動速度為79mm/s，變化規律為0～3.7s 速度逐漸增大，3.7～5s 速度逐漸減小，則反方向運動最小運動速度為-79mm/s，變化規律為5～10s 速度逐漸減小，10s 時停止運動；右短連桿反方向運動最小運動速度為-79mm/s，變化規律為0～3.7s 速度逐漸減小，3.7～5s 逐漸增大，5s 時速度為0mm/s，正方向最大運動速度為79mm/s，變化規律為5～6.3s 速度逐漸增大，6.3～10s 速度逐漸減小，10s 時停止運動。由以上分析可得，短連桿運動速度負荷STEP 驅動函數，具有對中性且運動平穩可靠等特點。

5 結論

礦井罐籠動態檢測是保障礦井作業安全性的重要環節，通過格雷母線檢測、光柵檢測及超速檢測等安全檢測裝置，可實現對罐籠實時位置檢測和監控，以便于了解到其運行狀態及上升、下降過程中是否存在阻擋物等問題。通過雷達速度檢測裝置及GOP 控制雙繼電器等系統程序的安裝，可以確保實時顯示罐籠狀態并監控其運行速度，在罐籠上下運動超速時通過對地面工作人員的實時反饋，及時啟動罐道制動系統，以保障礦井作業安全。多線程的罐籠動態監控能夠確保罐籠在日常使用運行中的穩定與安全，對于罐籠動態檢測系統的研究揭示了這些安全檢測裝置的運行原理，從源頭確定了這些技術可以有效幫助我們及時發現相關的隱患問題，從而減少了礦難的發生。這些技術的研發從根本上為礦業設備檢修的工作人員提供了便利，在設備上的校正以及更換更加精確，工作人員采集的數據也能夠很好地為后續技術的進步打下基礎。這些技術也在相當一部分的礦區進行運用，種種實踐也證明了一點，這些技術能夠很好地為礦區運行服務，滿足了各大礦井對于高安全性的礦井提升設備的需求，同時這些技術也對減小了礦難發生的概率，減少了礦難的規模以及后續造成的一些經濟效益損害。同時提升了礦區運作的效率，確保了工作人員的安全，提高了工作人員的勞動積極以及勞動效率，為礦產開采的生產效率的提高發揮了不可磨滅的積極作用。