斜井提升防掉道保护监测与分析

2020-05-25王德堂刘德建舒翰儒

科学技术与工程 2020年10期

王德堂, 刘德建, 芦伟, 董博, 舒翰儒

(山东科技大学机械电子工程学院, 运输与提升重点实验室，青岛 266590)

随着中国科学技术与经济的快速发展，对矿产资源的需求量也逐步增加，其开采难度也不断上升，对矿井的安全监测问题日渐被提上日程[1-3]，引起了许多专家和学者的广泛关注。Liu等[4]针对矿井瓦斯数据，设计了一种嵌入式实时图形显示与监控系统，来对矿井的瓦斯量进行监测；Deng等[5]基于无线传感网络(WSN)原理搭建了对矿井瓦斯的监测系统，保证了矿井气体环境的安全；Ma等[6]在Zigbee网络的基础上，设计了一种针对煤矿巷道的监测系统，用于保证矿井的安全；Rai等[7]利用微处理器，设计了一种针对地下矿井环境的安全监测系统；Moridi等[8]以矿井环境为例，设计了一种无线通信与监测系统，来对复杂的矿井环境进行监测。这些研究在某些方面对矿井起到了一定的安全监测作用[9-10]，但没有对斜井箕斗掉道的安全情况进行监测[11-12]。

在矿产资源从井下运往井面的过程当中，由于箕斗的载重量很大甚至会发生过载，这将会导致箕斗出现掉道的现象，产生重大安全事故，对工作人员和安全生产具有很大的威胁性，因此，如何对其进行监测与防护日渐成为矿井安全领域的重点研究问题之一[13]。

现针对斜井箕斗在运行过程中出现的掉道问题，构建无线信息传感器传输网络系统，采用MPU9250芯片和动力学解算原理对箕斗的运行状态进行监测，并利用逻辑分析仪捕获的波形图证明网络系统传输的可行性，最后以山东黄金矿业(玲珑)有限公司为实验平台，对该系统的稳定性和可靠性进行验证，以保证对矿井安全运行的实时监测。

1 系统结构设计

目前，中国大多数金矿对斜井提升一般采用斜井串车提升、斜井箕斗提升与胶带输送机提升三种方式，而山东黄金矿业(玲珑)有限公司采用的提升方式为斜井箕斗提升，提升能力较大，比较容易实现自动化，设有装载和卸载设备，根据《金属非金属矿山安全规程》规定：年产量在300～600 kt以上，倾角在25°～35°的斜井中宜采用此类提升方式。但斜井箕斗矿车在工作的过程中容易发生掉道事故，即金矿石从井下工作面通过箕斗运输到井口的过程中，箕斗矿车出现的脱离轨道的现象，针对斜井箕斗宜实现自动化监测的特点和掉道现象以及中外对金矿安全监测方面的不足，研究设计了无线信息传感器传输网络系统，其结构框架如图1所示。

图1 无线信息传感器传输网络系统结构框图

系统整体分为井口接收、斜井箕斗数据采集模块和井口发射模块三部分。井口接收作为各类数据采集的接收装置主要有XL66数据接收器组成，主要采集监测斜井箕斗位置的到位传感器的开关量信息并负责将斜井箕斗数据采集模块的信息通过RS485A、RS485B通信接口和通信天线由FCCW通信电缆将传递到上位机，为了满足一定的防爆与通信稳定性要求，将井口接收XL66封装到由Q235钢板焊接而成的壳体当中。斜井箕斗数据采集模块在模拟量采集装置XL604的作用下，将监测斜井箕斗与轨道之间接触距离的光电传感器和感应传感器采集到的数据通过发射天线传输到井口发射箱中，载荷传感器通过螺丝紧定装置安装于牵引配重块与箕斗的钢丝绳上，通过通信电缆连接到XL604采集装置中。姿态传感器封装在XL604采集模块中，利用JY61PM芯片与串口连接模块通信，将测量到的箕斗小车的加速度与倾角信息通过TWS通信线传递到XL604中，由XL604将数据信息通过通信电缆与地面上位机进行通信，在接收到各项数据后，上位机进行相关的数据运算与处理，当发生箕斗超载、未到位和处于掉道临界状态时，传感器数据会发生急剧变化并通过上位机软件进行报警，通知检查或负责人员进行处理，及时排除隐患。

2 系统布局与通信分析

2.1 硬件系统

在矿山斜井当中，由于受到多种不确定环境因素的影响，为了使信号方便接收并传给上位机，将接收系统安装于箕斗放矿附近，布置一组XL66无线转换器与一组供电电源，可以构建合适的通信网络，满足不同的接收需求。发射功率为100 mW，接收灵敏度可达-97 dBm，采用GFSK的调制方式，传输速率可达250 kbps，采用星型或MESH网络结构，全信号15 KVESD保护。

通过加装ASC601直流信号隔离配电器，可以将其产生的信号从现场隔离传送到控制室，采用高效的磁电隔离技术，输入和输出电源之间相互隔离，具有高精度，高线性度和低温漂等特点，响应时间可以控制在10 ms以内。

两路载荷传感器分别加装在矿车箕斗的钢丝绳和配重小车的钢丝绳上，用于实时监测在提升矿石的过程中拉力的变化情况，防止出现钢丝绳拉断的情况，其电路连接如图2所示。

利用加装的WT901C485姿态角度传感器实现对矿车箕斗摆动角度与加速度的大小的采集，实时监测其在运行轨道上的信息。此传感器集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。加速度计算方法为

jX=[(JX，H=8)|JX，L]/(32 768×16g)

(1)

jY=[(JY，H=8)|JY，L]/(32 768×16g)

(2)

jZ=[(JZ，H=8)|JZ，L]/(32 768×16g)

(3)

Sum=0x55+0x51+JX，H+JX，L+JY，H+

JY，L+JZ，H+JZ，L

(4)

式中：g为重力加速度；JX，L为X轴方向低字节；JX，H为X方向高字节；JY，L为Y轴方向低字节；JY，H为Y轴方向高字节；JZ，L为Z轴方向低字节；JZ，H为Z轴方向高字节。

采用MPU9250芯片，该芯片集成了VCC模块电源(3.3 V或5 V输入)，RX串行数据输入(TTL 电平)，TX串行数据输出(TTL 电平)，SCLI2C 时钟线，SDAI2C 数据线，采用4层PC板工艺，保留扩展端口来分别配置模拟输入，数字输入，数字输出，PWM 输出等功能，具有一定的静电防护功能，通信电路如图3所示。

为便于获取斜井箕斗采集的数据，在井口的位置安装井口发射系统，主要用于把斜井箕斗采集的数据信息进行接收并发射到XL604模块中，由XL604连接的FCCW通信电缆传到上位机中。在对此系统的设计中，应用一组XL60智能测控模块和一组XL66无线转换器，内设4～20 mA输入，PT100，端口等，选用16 位的A/D转换元件，转换精度可达0.006 5% F.S，可以采用433 MHz、GPRS、WIFI、2.4G等多种通信方式，利用天线传输信息，无线电路如图4所示。

图2 载荷传感器与电压跟随器电路连接图

图3 通信电路图

图4 无线电路图

2.2 网络传输通信

首先，IIC主机发送一个开始信号给JY-901模块，然后把模板IIC的地址IICAddr写入寄存器地址RegAddr，进而按照次序先写入第一个数据的低字节，第一个数据的高字节，若还有其他数据，继续以先低字节后高字节的次序写入，数据写入完毕后，主机向模块发送一个停止信号，让出总线。如果高字节数据写入JY-901模块之后，模块内部的寄存器将更新并执行相应的命令，同时模块内部的寄存器地址自动加1，地址指针指向下一个需要写入的寄存器地址，这样可以实现写入。

逻辑分析仪捕获的波形如图5所示。

当写入寄存器地址RegAddr后，主机再向模块发送一个读信号(IICAddr=1)|1，如果是默认地址0x51，那么发送的数据为0xa1，此后模块将按照先低字节，后高字节的顺序输出数据，主机需在收到每一个字节后，拉低SDA总线，向模块发出一个应答信号，待接收完指定数量的数据以后，主机不再向模块回馈应答信号，此后模块将不再输出数据，主机向模块再发送一个停止信号，以结束本次操作。逻辑波形如图6所示。

3 系统实验与测试

3.1 实测安装与配置

组态王软件通过Microsoft Windows 98/NT中文平台和TOUCHMAK运行环境进行，系统应用北京亚控科技有限公司开发的组态王上位机软件，组态王工控软件具有自适应好、操作方便、开发周期相对较短和便于扩展等特点，可以实现对各类数据的实时处理和存储。此软件利用MODBUS RTU通信协议，采用RS485通信接口与现场设备相连接，可以对现场运行的矿车箕斗的掉道情况、运行姿态、到位情况以及钢丝绳的拉力状态进行远程监测，相关实验设备如图7所示。

3.2 数据监测与分析

斜井提升防掉道监测系统的重点在于通过安装于箕斗矿车车身上的感应传感器、光电传感器以及载荷传感器反馈的数据信息来判断箕斗是否掉道，通过姿态传感器传回来的角度和加速度信息判断箕斗矿车的运行状态，通过感应与光电传感器设置开关量和报警提示，利用到位传感器判断矿车的到位情况，经过反复试验运行正常，测得的数据如表1～表3所示。

0-SCL和1-SDA分别代表时钟线和双向数据线

图7 实验设备

表1 姿态传感器角度监测值

经过实验测试得知，载荷传感器读取的箕斗钢丝绳上的拉力值在98～101 kN，误差范围在3 kN之内，配重车的拉力在48～52 kN，误差在4 kN之内，可以满足其监测要求，安装于车身上的采集装置测得的电池电压为11.30～12 V，姿态传感器初始值为X轴方向的角度值为15.61°，Y轴方向为31.54°，Z轴方向为85.23°，误差范围在5°内，X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的加速度误差基本保持稳定,由于系统受到矿井环境因素的影响，其误差在正常范围内，可以保证对斜井掉道的正常监测。