矿井提升动态载荷无线监测系统的研究

韩瑞东,申建朝,王 雷

(潞安集团慈林山煤业有限公司 夏店矿,山西 长治 046000)

分析近年来矿井提升事故调查资料,在大提升量、高速运行状态下,提升载荷(提升钢丝绳张力值)异常是导致提升事故的主要原因之一。因此,实现提升工作全周期内对提升载荷量、提升容器运行状态的实时监测显得尤为重要,准确掌握钢丝绳受力情况和设备工作状态,是消除安全隐患避免事故发生的有效途径。

1 监测系统功能设计

矿井提升动态载荷无线监测系统通过采集和处理提升载荷信号,可实现对每根钢丝绳张力值变化量的实时、动态监测。同时,该系统还可以采集提升容器的位置信号、原煤、物料的装卸载信号,并以此为依据分析钢丝绳所承受的动态载荷是否正常。采用这种监测模式,一方面能够准确掌握提升钢丝绳在井底装载过程、井口卸载过程等特殊位置的载荷变化,进而判断提升容器装载是否超载、卸载是否完全,一旦发生超载现象,或者卸载不完全粘煤过多而导致钢丝绳所承受的载荷值超过设定的安全范围时,系统会自动发出声光警告,提醒工作人员采取合理的处理措施;另一方面,该套系统可以动态地监测提升钢丝绳在运行中间状态张力值的变化情况,对于卡罐、松绳等发生在提升容器中间运行过程中的故障可以及时地发现和处理[1]。总之,该套系统可以实现对提升钢丝绳张力值的全行程、实时动态监测,及时预判和发现提升容器运行异常,有效避免提升事故的发生,确保矿井提升工作安全可靠地进行。

2 系统硬件设计

该矿井提升动态载荷无线监测系统是集无线射频技术、模拟信号采集技术、串行通讯技术、PLC控制、LabVIEW等先进技术于一体,由信号采集、信号传输、信号处理三个功能框架组成，其结构组成如图1所示。

图1 矿井提升动态载荷无线监测系统结构图Fig.1 Wireless monitoring system on dynamic load in mine hoisting

1)信号采集部分: 对张力信号的采集、转换与处理以及一些开关量信号的采集。通过安装在首绳悬挂装置连通管上的油压传感器实现对钢丝绳实时张力值的间接测量,利用AVR单片机对油压传感器反馈的电压信号进行采样,相关数据利用串行通讯技术传输至采集网络终端,等待信号传输和处理。

2)信号传输部分: 主要包括信号发射模块对无线信号的调制与发射、信号接收模块对调制信号的解调与传输。在井筒恶劣的工况环境下,采样树簇结构的ZigBee无线网络结构,该网络的终端节点布置在提升容器上盘,将采集的压力信号转换为电信号并经过调制和放大处理进行远距离信号传输[2]。井口布置用于接受无线信号的接收装置,并将接收到的信号解调为RS-485格式后传输至控制中心,通过串行通讯模块实现与PC机的信号传输处理。

3)数据处理部分: 对解调后的钢丝绳张力数据以及各种辅助判定数据进行分析, 并安装PLC控制器中预先设定的控制程序和控制策略进行相应的决策[3]。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件主要是针对如何高效、准确采集油压传感器和模块电量的模拟量信号,如何进行信号转换处理、过滤放大处理,如何进行信号传输与接收等问题进行程序设计和功能设计。设计的下位机工作流程如图2所示。

图2 下位机工作流程图Fig.2 Flow chart of lower computer

系统上电后采集模块按设计程序不间断循环采集油压传感器产生的压力信号、采集供电模块的实时电量模拟信号。为了提高测量精度和有效性,程序对采集信号进行滤波处理,排除极大值和极小值干扰,对有效信号进行算数平均处理。如果下位机接到上位机发出的信号发送指令,则通过ZigBee无线网络将处理后的信号数据进行上传发送,完成一次工作循环。

3.2 上位机软件设计

上位机主程序在LabVIEW环境下开发设计,主要功能是结合提升容器位置信号、定量装载装置开关信号、绞车房部分控制信号,对采集的张力信号进行逻辑判断处理。如果卸载不充分,粘煤量大,滞煤质量超过设定范围,则发出滞煤超限警报[4]。如果装载量过大,导致张力值超限,则发出超重警报,并闭锁绞车房开车提升信号。如果在空载下行或者重载上行过程中,监测信号显示钢丝绳的实际张力值小于规程规定的最小值,则发出松绳故障警报。如果钢丝绳之间的实测张力差大于10%,则发出张力自动平衡失效的故障警报。系统对所有探测的故障做出报警响应的同时,还将故障类型、相关数据、故障时间等信息传输至数据库进行备案处理[5]。系统监测主程序流程如图3所示。

图3 系统监测主程序流程图Fig.3 Flow chart of main program in the monitoring system

3.3 上位机控制界面设计

为了最大限度地发挥系统的监视功能和控制功能,实现操控人员和监测系统之间高效的信息交流,设计了触摸屏式控制界面。系统工作前,可以根据实际工况设置触摸屏界面相关设备参数,确保系统正常有效工作。系统工作时,可以实时动态显示诸如提升容器载重量值、钢丝绳张力差值、提升容器位置、电池电量等监测值,实时掌握各个设备的运行状态,当监测数值异常时会发出声光报警。系统维护时,可以调取储存在数据库中的设备预警信息,方便维护人员排除设备故障源。

4 现场应用

该套矿井提升动态载荷无线监测系统在2016年9月在夏店矿安装应用,在应用实践中,该套系统能够实时清晰地显示提升钢丝绳的动态载荷,并按照预设的逻辑程序进行信号处理,当发生提升容器卸载不完全、提升容器超载、张力差超限、钢丝绳发生松绳等异常情况时,能够及时发出声光报警,为提升绞车房提供准确的辅助参考信号,杜绝了潜在的提升安全隐患。数据库统计数据显示,在投入运行的一年半内,共发出卸载不充分预警8次,发出超载预警12次,发出张力差超限预警1次,发出松绳预警3次,并且所有预警均真实可靠,无误报发生,操控人员在第一时间根据预警信号发现故障源,及时排除了运行故障,确保了提升工作安全进行。

5 结束语

该系统集无线射频技术和可编程控制技术于一体,实现提升过程的全程动态实时监测,能够对提升载荷超值、提升钢丝绳打滑、首绳悬挂装置偏窜失衡、容器卡罐等提升故障进行提前预警,及时消除安全隐患。现场应用情况证实,该套系统可靠性高,精确度高,性能稳定,对确保矿井提升安全具有显著的现实意义。