礦用提升機載荷監測保護裝置的應用

邢彧

寧夏安標檢驗認證有限公司，寧夏銀川，750000

0 引言

煤礦提升裝置在煤礦開采生產活動中具有十分重要的作用，其中包括對作業人員、煤礦資源以及輔料等的運輸傳送。欠載與超載現象都會對提升裝置運行過程中的安全性能造成一定程度的影響，會嚴重威脅到礦產資源與工作人員的安全，對煤礦企業造成嚴重的經濟損失與社會影響。如果在立井提升時出現二次裝載、礦車掉道以及松繩卡罐等現象，都可能導致煤礦安全事故發生。因此，煤礦企業在生產運營的過程中必須重視礦用提升機的質量與安全運行，以此保障煤礦活動順利安全進行。

1 我國既往礦用提升機系統事故案例總結

1.1 山西大同礦煤集團白洞礦

2005年9月，由山西省大同煤礦集團負責開采管理的白洞礦井發生了由提升機造成的煤礦安全事故。白洞礦主井的提升裝置2號箕斗在值班司機操作下提升到指定位置進行卸煤作業，在卸煤過程中箕斗內部的大矸石與其他雜物導致扇形閘門無法正常復位，從而導致箕斗卡在煤礦裝卸點。同時，井架信號人員并沒有及時發現這一現象，依舊正常發送開車信號，司機正常開車后發生了松繩現象，松繩逐漸盤繞在卡點箕斗上方，箕斗內部矸石與其他雜物在鋼絲繩的重力作用下塌落，進而導致扇形閘門正常復位，箕斗裝置在礦井筒內快速跌落，最終導致鋼絲繩裝置損毀斷裂，箕斗裝置跌落到礦井底部，造成了十分嚴重的經濟損失[1]。

1.2 山西大同礦煤集團華宮礦

2006年1月，山西省大同煤礦集團華宮礦發生了十分嚴重的由提升機引發的安全事故。華宮礦副井中，提升機司機聽到向上緩慢提升裝置的信號后，正常操作提升機，但是絞車裝置發生了滾筒反轉問題，且速度出現明顯加快現象，司機利用手閘手柄、腳踏緊急制動開關以及主令手柄歸零等操作，均無法正常制動絞車裝置，最終發生了絞車過卷事故。該事故造成11人受傷，2人死亡。

2 礦用提升機載荷監測系統設計

2.1 整體設計

為了達到對起重機負載的實時監控，我國煤礦多繩摩擦式起重機多數使用的是液壓張力自動均衡機構?！睹旱V安全規程》要求：在任何一臺起重設備上，每一臺起重的鋼索與其負荷之間的差異應大于其總負荷的百分之一。液壓式張緊機是一種半調壓的工作模式。為了解決目前國內和國際上起重機監控系統存在的問題，研制了一套用于多繩摩擦的礦井提升機監控裝置。整個體系結構見圖1。

張力數據收集及無線傳送模塊為全套無線數據收集設備。利用MSP430微處理器對拉力信號進行A/D變換，再由無線數據傳送到礦井下的數據。井底輸送界面是一個承載和傳遞的樞紐。由CAN總線將接收到的資料傳送至主站。通過CAN總線從井下接收各種資料，并對其進行分析和計算，當發生超載、不平衡或超速輸送時，通知有關部門進行檢測，消除危險。該軟件可以實時地記錄上一個月份的生產情況和當日的生產情況。

2.2 硬件設計

2.2.1 無線數據的采集裝置

該系統主要包括三大部件：感應器、MSP430以及無線通信系統。該系統選用了MSP430型節能型微控制器，在硬件上實現了功耗的減少。在接近井口位置時，接收啟動指令，啟動系統，取樣回路完成A/D變換。在完成了變換之后，MSP430與無線模組均處于睡眠狀態，因此在算法上達到了最優的能量節約。以MSP430為中心，設計了一種用于拉力獲取和無線傳送設備的總體方框圖，如圖2所示。

（1）MSP430微處理器是由一塊鋰電池驅動的。其功能是通過從壓力傳感器獲取的仿真數據通過本身的A/D模組進行變換，將仿真數據轉化為10比特的數據，通過SSM63B的串口發送到礦井下的數據傳輸。除了基準電壓設置Ref+和Ref-外，MSP430G2553 I/O資源是很珍貴的。串口通訊的發射端口（引腳4：與無線電發射模塊相連的接收器）以及串口通訊（引腳3：用于與無線電發射組件相連的發射端口）所占據的這些引腳（引腳3、引腳4、引腳5、引腳6）不能作為A/D變換的入口，其余4個I/O端口用于A/D的輸出。從數據上來判斷，4個拉力傳感器，1個電壓，5個A/D輸出。這需要使用上述的可編程控制的選擇交換機來進行。

（2）該傳感器還通過電池提供動力，為了節省功率，可以通過一個系統軟件來進行收集或者停止收集。圖3為拉力傳感器的電力供應終端的電路示意圖。由于該張力傳感器自身無切換功能，通過對拉力傳感器進行功率的調節，從而達到使用時開而不需要時停止的目的?？傮w功率消耗減少。通過ADG884，實現了對壓力敏感元件進行切換。ADG884是由兩個單獨的軟件控制切換組成的低壓COMS晶片。ADG884的一個輸入AIN4_1（引線10）是一個拉力信號，該拉力信號通過一個電壓跟蹤器而被輸出；AIN4_2采用分壓的方法測量了鋰離子的電壓，最初的數值大約為2V，方便比較基準的電壓和蓄電池的剩余電流，而低壓則是為了通知工作人員進行替換。

D1末端（引線3）與該壓力換能器的供電末端相耦合，并可依據MSP430的單片機程序來決定D1端子的輸入量。IN1（引線4）與MSP430微處理機13引線相連，并對切換進行控制；ADD3.6是一個直接為鋰離子提供電源的終端，它是D1的一個選項。在IN1的數值為0時，切換器在向拉力換能器提供電源的情況下，在D1末端的輸出數值為ADD3.6的電壓。在IN1是1的情況下，切換S1A（引線2）是0，這時向拉力換能器供電被關閉。表1顯示了ADG884的邏輯真值。

表1 ADG884邏輯真值表

（3）因為該傳感器的電壓信號很弱，在MCU的I/O端口中，采用了一個電壓跟蹤裝置。由于電壓追隨器具有較大的輸入阻抗值和較低的阻抗值，因此可以將其視為一種阻抗變換的線路，從而能夠有效地改善原有線路的帶負荷性能。圖4為所述傳感器與所述電壓跟蹤器ADA5404的線路相耦合圖。ADA4505的動力來源也是由一塊經過電壓變化后的鋰電池提供的。ZL_IN1（引腳12）、ZL_IN2（引腳10）、ZL_IN3（引腳5）、ZL_IN4（引腳3）是由拉桿傳感器獲取的，然后被輸出到電壓跟蹤器中，通過放大器進行放大，從而維持恒定的輸出，提高了皮帶負荷的容量。再將AIN1、AIN2、AIN3、AIN4_1輸入到MSP430微處理器A/D數據的模擬/數字信號的輸入。

2.2.2 井下傳輸接口設計

礦井通信系統的主要作用是完成數據的轉換，通過CAN口傳送到主基站進行數據的處理。它就像是一個橋梁，采用ARMCortex-M3作為單片機的NXPLPC1752。其特點是功率消耗小，集成程度高。LPC1752與MSP430采用1個SM63B無線通訊，完成對采集指令的傳輸和接收。LPC1752內置CAN控制器，無需附加控制器，即可與CAN接收機進行直接的聯接，從而使電路結構更加簡單。CAN通訊線路見圖5。本系統采用CTM8521T單片機，該單片機的作用是將 CAN控制器與CAN總線分開，使CAN與CAN的電平相匹配，實現了對CAN的數據的傳輸。同時，該晶片還具備ESD保護電路。CTM8521T耐高壓絕緣，耐EMI。

3 礦用提升機載荷監測保護裝置的應用

3.1 安裝運行

將稱重傳感裝置安裝在提升機中的天輪帶座軸承下方，以便實時獲取天輪的具體載荷信息，并對稱重傳感裝置獲取到的信息數據進行顯示與記錄，及時上傳至電控系統PLC中。將轉速傳感裝置安裝在提升機主軸，結合礦井筒實際深度與位置傳感器，能夠有效掌握提升容器在礦井內實時位置的載荷數據[2]。提升容器在生產工作時能夠將稱重傳感裝置獲取的天輪載荷給定范圍數據傳送至PLC系統中。在提升機工作的過程中，如果實時載荷數據明顯超出給定范圍，則判斷為載荷異?，F象，提升機中的安全保護系統與報警系統會第一時間進行斷電保護與報警。

3.2 產品構成

載荷監測保護裝置主要包括提升機、鋼絲繩、提升容器、位置傳感器、轉速傳感裝置、稱重計算裝置、稱重傳感裝置以可編程控制裝置等。

3.3 功能總結

載荷監測保護裝置能夠對提升機工作過程進行全面系統監測，精準化記錄罐籠在礦井中的實時載荷信息，保障罐籠能夠正常安全提升。如果罐籠在提升過程中出現打滑、松繩、卡罐以及礦車掉道等現象，系統能夠有效捕捉到載荷瞬間變化，從而將其判斷為載荷異?，F象，進行報警后停止提升機運行工作。

系統能夠對箕斗運行狀態進行全程動態監測，如果箕斗出現超載、欠載、鋼絲繩打滑以及卡在卸載口等現象，系統會立刻發起警報，以此保護提升機裝置的正常、安全運行，進而保障礦井作業安全。

如果載荷監測保護裝置監測到箕斗卸載工作尚未完畢，則會對箕斗剩余煤量進行精準化測量，系統具有智能補償與人工補償兩項功能，以此確保因為二次裝載所引發的超載現象不會出現，有效保證了系統穩定安全運行。

3.4 應用效果

在煤礦井下作業中應用提升機載荷監測保護裝置大幅度提升了煤礦作業的安全性能，使相關人員能夠對提升機作業的全過程進行系統全面的動態監測，從而降低安全事故的發生概率，使得提升機系統的保護工作更加具有主動性與高效性，大幅度加強了整體系統的運行安全與工作效率。同時，載荷監測保護裝置能夠有效防止提升裝置進行超載作業，將提升機控制在安全穩定的功率內運行，對煤礦工作人員的生命財產起到了有效的保護作用，進而提升煤礦企業的經濟效益，促進煤礦行業的穩定和諧發展[3]。

4 礦用提升機載荷監測保護裝置應用的保障措施

4.1 加強制動裝置的安全管理

礦用提升裝置中最為重要的安全保護裝置就是制動裝置，在針對制動裝置進行管理控制的過程中，煤礦企業應當設置高水平的專業人才進行管理，以此有效把握制動裝置。為保障提升機運轉工作的科學性與專業性，管理人員需要實時監管制動裝置運行狀態，保證保險閘與常用閘裝置能夠正常穩定運行。煤礦企業應當對提升機安全管理人員定期開展培訓強化活動，聘請專家與行業優秀人士進行講解教授，從而提升有關人員的專業素養與綜合能力，降低制動裝置事故發生概率，確保高效控制提升機作業，保障煤礦井下作業的設備安全與人員安全。除此之外，還需要對保險閘與常用閘定期開展分連工作，確保裝置間的關聯性能，防止一個閘門發生故障時會對另一個閘門造成直接的影響。分連工作能夠強化制動裝置的利用率，同時大幅度加強提升機作業的安全性。為確保提升制動裝置能夠安全穩定運行，煤礦企業可以積極引進先進技術，將其靈活應用到提升機安全裝置中，以確保裝置設備的安全性與先進性，如可以利用壓縮空氣驅動閘瓦式制動裝置等。

4.2 科學改裝設置防過卷裝置

防過卷裝置在實際應用中具有一定程度的科學性、專業性、靈活性特點，能夠防止過卷現象發生。為進一步提升防過卷裝置的運行效果，可以在原有防過卷裝置上進行利用科學手段進行優化調整，可以轉變提升容器在提升機中的點位，從而有效加強防過卷裝置的實際運行質量，為提升機正常運行提升安全保障。通常情況下，提升機的最終停止點位必須嚴格依據我國行業標準規定設定[4]。但是在實際煤礦作業的過程中，為保障防過卷裝置的科學合理性與提升機的運行效率，可以依據實際情況將提升容器高度提升0.5m左右，從而保障提升機防過卷裝置的實際工作效率，降低防過卷裝置出現失效失靈等問題的概率。除此之外，防過卷裝置在還可以靈活運用在保險閘的制動功能中?？茖W合理地運用防過卷裝置能夠有效加強提升機的實際運行效率與作業安全，大幅度降低安全事故的發生概率，保障了企業的經濟效益與企業職員的生命財產。

4.3 提高提升機機房管理力度

礦用提升機的控制機房是對提升裝置進行系統控制與管理的中心，為保障提升機裝置能夠安全、高效、穩定運行，煤礦企業必須加強對控制機房的安全管理力度。首先，企業需要重視機房內部的安全消防系統，確保滅火器、消防沙袋以及相關消防器材的充足，同時定期開展質量檢查工作，以確保消防系統的有效性與安全性，避免消防系統對提升機控制機房正常穩定運行的影響。煤礦企業需要加強控制機房的日常管理工作，設置專業的管理人員進行日常管理控制，對機房內部各項系統與基礎設施等進行全面的系統檢查，盡可能消除機房中存在的安全隱患，保證提升機控制系統能夠正常穩定運行[5]。除此之外，企業需要加強提升機控制機房的安全保障措施，將機房安全職責具體落實到某一部門或個人，當外來人員需要借用設施、開展機床檢測等工作時必須進行報備記錄，對借用人員、借用期限等信息詳細記錄，以保障相關設施的安全性。企業需要依據國家相關規定與企業實際作業情況制定權威、科學的管理制度，在煤礦工作中必須嚴格制定管理制度，為提升機裝置的正常運行提供堅實的制度保障。

5 結語

提升機裝置在煤礦井下作業中具有十分重要的作用，是運輸煤礦資源、工作人員以及企業設施器械的重要工具，因此，煤礦企業在日常工作中必須加強提升機安全管理工作，以此保障提升機的運行效率與工作人員的人身安全。煤礦企業可以利用載荷監測保護系統加強對提升機運行過程的管理控制，通過稱重感應器、位置感應器以及數字編程系統等對提升機運轉過程進行全面的系統監測，從而加強提升機運行效率與工作質量，促進煤礦行業的健康穩定發展。