礦用絞車遠程監測及安全保障技術研究與應用

趙 炎

（山西焦煤西山煤電西銘礦，山西 太原 030052）

礦用絞車作為負責煤礦生產運輸的關鍵設備，因其復雜的工作環境及安全可靠性方面的較高要求，需采用全面、智能化的監測技術及手段對其運行狀態進行實時監控，保證其安全穩定運行[1-3]。目前多數煤礦所采用的絞車監控系統多采用直線式管理網絡，系統兼容性及通用性較差，且功能較為單一。根據統計數據可知，絞車事故中因鋼絲繩斷裂及車速控制不當導致的剎車失靈，造成斷繩傷人事故比重較大，因此需采用監測及安全保障手段有效提高當前絞車監控系統性能。

針對上述問題，著重對礦用絞車遠程監測及安全保障技術進行了研究，在傳統絞車監控系統基本檢測功能上增加鋼絲繩張力監測、車速實時監測及自適應控制功能，通過對張力傳感裝置的選型設計，實現對絞車鋼絲繩張力的實時監測及超限預警，有效避免因鋼絲繩張力過大導致的鋼絲繩斷裂問題出現。同時系統增加了對絞車的車速、位置及姿態等參數的監測，通過多參數綜合監測進一步提高了絞車運行可靠性，并采用無線通信實現數據高速傳輸，有效提高絞車監控智能化水平。

1 礦用絞車遠程監測及保護方案

礦用提升絞車是指滾筒直徑在1.6 m 及其以下的礦井提升運輸設備，與滾筒直徑2 m 以上的大型提升機不同，其提升容量較小、保護功能較少，不具備較全面自監測功能。本文研究對象為單繩纏繞式絞車，在運行過程中鋼絲繩斷裂事故頻發，危害較大，現配備的監測保護系統在監測范圍及自動化程度方面均存在一定缺陷：

1）控制結構及通信手段落后。現有絞車監測保護系統采用傳統TDK 控制方式，系統控制精度較低，通訊網絡性能不完備，信號傳輸速度滯后。

2）缺乏有效的鋼絲繩張力檢測手段。原系統所采用的電容式壓力傳感器，負載能力較差，當運量較大時檢測誤差較大，靈敏度較差。

3）系統監測功能單一。絞車在運行過程中未實現全方位多參數實時監測，缺少對絞車運行車速、停車位置及姿態的實時測量。

針對上述問題，提出了一種結合鋼絲繩張力檢測、車速及位置檢測、姿態檢測等多種功能于一體的礦用絞車監測保護方案，并采用PLC 替代傳統繼電器，運用無線通信網絡的監控系統架構。系統結構如圖1 所示。

圖1 礦用絞車監測系統結構

監測系統由現場信號采集設備、通訊設備及地面監控中心三部分組成。其中：現場信號采集設備由安裝于車身及滾筒上的張力傳感器、三軸加速度傳感器及霍爾傳感器組成，用于實時采集絞車鋼繩張力、車身姿態及位置、車速等數據。通訊設備由井下無線通信基站、車載信號收發器及光纖網絡組成。各無線基站與絞車間的交互采用無線傳輸方式，由車載信號收發器接收傳感器信號后通過無線基站上傳。為保證通信質量，無線基站通過光纖與地面監控中心進行通信，實現采集信號與控制指令的上傳下達。地面監控中心由集成PLC 控制柜、硬盤錄像機及上位機組成，用于井下絞車的遠程實時監測與控制。

2 絞車運行狀態實時監測方案設計

2.1 鋼絲繩張力實時監測

對絞車鋼絲繩張力進行實時監測是避免發生鋼絲繩斷裂、松繩等事故的關鍵手段。本文提出的方案為采用可靠性及精度高、測量范圍大的軸銷式測力傳感器對絞車鋼絲繩張力進行測量，并以電信號形式將張力信號傳輸至上位機，通過設置張力閾值控制鋼絲繩拉力維持在正常水平，當張力值超限時發出報警并執行制動指令，保證絞車運行安全。

按照鋼絲繩張力監測方案對張力監測子系統進行設計，鋼絲繩張力信號采集由軸銷式測力傳感器完成，張力信號轉換及傳輸通過車載信號收發器、無線基站及光纖組成的通信網絡實現，最終將信號上傳至上位機實現實時監測與超限預警。鋼絲繩張力監測子系統結構如圖2 所示。

圖2 絞車鋼絲繩張力監測子系統結構

在監測過程中，PLC 控制器將對通過無線通信網絡傳輸而來的鋼絲繩張力信號進行不間斷掃描，并與上位機設置的鋼絲繩張力閾值進行對比，當張力值超出最大限值時，立即發出報警信號并由PLC 控制繼電器對絞車進行制動，停車后由語音報警系統發出人員撤離通知。當張力檢測值為0時發出松繩報警信號，同樣由PLC 控制絞車安全制動。

2.2 車速及行駛位置實時監測

相比于鋼絲繩張力監測，對絞車運行位置及車速的監測同樣十分重要。若發生鋼絲繩斷裂等事故，絞車運行速度將發生突變，且需確定其故障停車后的具體位置以便更快速開展搶修救援工作。本文提出的車速及位置監測方案為通過在絞車滾筒合適圓周位置上安裝一定數量的磁鋼及霍爾傳感器，在滾筒轉動時，通過霍爾傳感器經過各磁鋼所發生的脈沖信號對絞車前進距離及運行速度進行計算。絞車位置及速度計算基本原理如下：

（1）記錄霍爾傳感器經過相鄰磁鋼時兩個脈沖信號的時間間隔。

（2）通過滾筒圓周長度及兩磁鋼間的弧長計算出對應的鋼絲繩下放長度。

（3）通過兩個脈沖信號間對應的鋼絲繩下放長度計算出絞車運行過程中的前進距離，通過記錄的絞車初始位置即可得到滾筒停止時絞車的具體位置。

（4）通過將兩個脈沖信號間所對應的鋼絲繩下放長度除以其脈沖間隔，即可得到絞車當前運行速度。

2.3 絞車姿態實時監測

為有效避免絞車在運行過程中發生傾斜傾倒等事故，需對絞車在運行過程中的姿態進行實時監控。本文采用三軸加速度傳感器對絞車運行姿態進行精確測量，同時還可根據測量絞車重力加速度傾斜分量得到其實時加速度，進一步計算得鋼絲繩拉力，當拉力為0 時可判斷此時絞車發生斷繩故障并進行安全制動，可作為張力監測子系統的后備保護。姿態監測及防傾倒原理如圖3 所示。

圖3 絞車姿態檢測原理

由圖可知，當絞車沿X 軸方向正常行駛時，由三軸加速度傳感器所采集到的Y 軸加速度分量基本為0，此時絞車運行平穩，未向兩側發生傾斜。當Y 軸加速度分量增大時，說明絞車已沿兩側Y軸方向發生傾斜，當增大到系統設置上限時，立即發出報警并執行安全制動操作，防止絞車發生傾倒事故。

3 應用效果

為驗證新設計的絞車監測及保護方案的可行性及系統應用效果，結合生產實際對投運系統進行了測試。試運行期間，該監測系統運行穩定性良好，監測功能能夠可靠實現，可實現對絞車鋼絲繩張力、車速、車輛行駛位置、車身姿態等參數的綜合監測。系統運行所在斜井角度為20°，斜井垂直高度45 m，斜井長度165 m。監測對象為滾筒直徑1.2 m、滾筒寬度1 000 mm、電機功率75 kW 的單繩纏繞式絞車。以鋼絲繩張力監測為例，系統在絞車勻速運行狀態下對鋼絲繩張力進行實時監測并進行曲線繪制，拉力測量數據如圖4 所示。

圖4 鋼繩拉力測量曲線

由圖可知，在絞車勻速運行狀態下鋼絲繩拉力差最大值為0.59 kN，未超出鋼絲繩靜拉力最大值，拉力穩定性良好。

4 結語

新設計的礦用絞車遠程多功能監測及保護方案，可實現對絞車運行狀態下鋼絲繩張力等關鍵參數的實時監測，并具備超限報警及安全制動等安全保護功能，經實際運行測試系統運行效果良好，參數測量準確度較高，絞車在勻速運行下可保持穩定拉力，對于提高礦用絞車運行安全穩定性具有一定應用價值。