单绳缠绕提升机金属井架变形实时监测系统的应用设计

2021-03-13张国军张红光苏海涛

山东煤炭科技 2021年2期

张国军张红光苏海涛

（1.兖州煤业股份有限公司南屯煤矿，山东邹城 273500； 2.兖州煤业股份有限公司济南煤炭科技研究院分公司，山东济南 250000）

1 引言

钢结构井架作为矿用承载提升系统的关键地上建筑物，所承载作用不容小觑[1-3]。钢结构件变形在井架故障过程中扮演着重要角色，对其进行状态监测与故障诊断是十分必要的[4-6]。

本文对南屯煤矿单绳缠绕提升机钢结构井架进行实时监测系统的研究与设计，对煤矿井架钢结构变形展开实时监测记录分析，掌握井架结构在提升系统运行过程中的实时变化趋势，分析井架主体结构完好、可靠性，从而有针对性地制订钢结构井架的维保措施，在保障提升安全运行方面扮演重要角色。

2 系统工作原理

南屯煤矿提升机钢结构井架实时监测系统主要由应变检测装置、采集发射装置、上位机、报警装置等组成。应变设备对钢结构井架进行应变数据采集并将采集数据以无线电波方式上传给无线采集发射装置。无线接收发射装置接收由无线采集发射装置上传的信号，上传给上位机，上位机组态软件通过对数据进行分析、处理，在组态软件上进行数据显示、画面显示及报警显示，当应变值超限时，上位机识别报警，报警装置感应，同时提升电控系统做出反应，保障系统安全。系统工作原理图如图1。

图1 系统工作原理

当弹性元件在力的作用下发生弹性形变时，使得与之相连的电阻应变片也发生相应的形变，从而引起应变敏感元件电阻值的变化。此时通过测量电压的变化间接地反映被测物体所受压力的变化，电阻应变传感器就是通过应变片将应变的变化转换为电阻的变化。为了防止微小变化导致的测量精度不够、反应不灵敏等问题的产生，对其使用惠斯通桥式电路，使用组合的测定方式能够对冲击现象实现测量。

井架钢结构的监测由应变片完成。将应变片粘贴于被测物表面，当被测物受外部载荷作用发生应变时，应变片会发生相应的变化，其中的金属箔栅同时发生机械性形变从而引起电阻值发生变化。应变片监测方法，就是利用电阻值的变化测定应变数据及其变化。

应变片中电阻变化率与应变对应公式：

式中：R 为应变片的原电阻值，Ω；Δ R 为伸长或压缩所引起的电阻变化，Ω；K 为比例常数（应变片常数）；ε 为应变。

传感器是井架数据采集的先头兵，能够及时反映井架的状态情况。传感器作为数据采集的电子设备，易受受测结构、外部环境、磁场、电源设备等方面的干扰，传感器的安装位置决定着数据采集的准确性、可靠性。所以，传感器安装位置设计，需要多加考虑和重视。

图2 应变传感器安装示意图

根据上述计算分析，将应变传感器安装位置确定在对应部位。如图2 所示，应变片安装井架所对应的立柱、斜架、天轮平台。安装过程中，应变片的粘贴应注意，提前用纱布、酒精等进行除锈、洁净表面，防止粘贴过程中有气泡和倾斜；注意接线处应固定良好且做绝缘处理，防止扯断或漏电；导线应贴合固定于井架上；变送器和应变片近距离固定安装于井架上。

3 系统硬件

面对提升系统的复杂工作环境，为了提高监测的准确度和信号的传输效率，在传感器的选择设计上应实现其小型化和高集成的特点，对信息的采集、处理及发送过程采用模块化集成设计。应变传感器从使用环境、选用原则上进行考虑。

井架用应变片选用金属材质的全桥应变片，散热好，可以最大限度地消除因电阻发热导致的噪声，应变电阻为250 Ω，应变片匹配RC-A3N 系列压力变送器，放大电路板主要配套于微小型压力变送器壳体（直杆型/棒状/L 型）。该电路板采用新型设计思路，加强线性优化，抗（变频器）干扰等处理，使得变送器在使用过程中稳定性大大提高。

数据采集收发装置采用XL80 智能转换装置，用于传感器节点通信的协调，实现通讯管理、协议转换、数据采集和处理、转发等功能，构建稳定可靠、安全的智能传感网络。

建立参数越限报警发布机制，实现矿井井下与井上数据的移动互联。手机app 客户端通过云端服务器与监控室的操作主机进行联网，将井架设备的运行参数上传到手机客户端，只要手机与监控主机同时联网就可随时随地查看设备的运行情况。当某些参数超过了设定值时，提供报警推送功能，提示设备运行的故障点，并且当输入正确的用户名和密码时，可控制提升机电设备的远程启停，界面友好，操作简单、方便。

为实现前端传感系统信号采集处理传输的高效性，采用无线数据采集终端RTU。无线采集发射装置原理图如图3。

图3 采集发射装置原理图

4 数据分析控制系统软件

在监测系统应用之前，需要对数据分析控制系统软件进行开发使用。软件的设计开发基本满足功能性、时效性、可靠性、可拓性、简易操作等原则要求。为了防止软硬件不匹配影响数据传输的时效性，采用信利智能采集发射装置相匹配的信利软件XL.View。

5 现场测试

对通信分站与主机、路由器、无线AP 等设备进行通讯测试。每个分站设立4 个RS485 接口，以主从式、半双工传输方式与设备通讯。为每个数字综合保护装置进行唯一编码，通过485 接口将本身的信息传给通讯分站，分站通过编码确定各个保护装置传递来的信息进行处理并发出指令。通信分站、监控主机与路由器进行通讯测试。通信分站设立4路网络接口，以TCP/IP 传输方式进行通讯。分站将设置相同IP 地址，均通过主机与上位机进行通讯。

将井架钢结构应变片变送器通讯接口接入4 个通讯模块集成打包, 然后监控主机用无线通讯与路由器通讯，路由器通过网线与上位机进行通讯。在井架立柱根部、井架腰部以及天轮平台靠近轴承座等位置安装6 枚应变片及相应的变送器，地面遮雨沿处安装变电箱。通过无线设备将数据等传到地面监控主机。

对金属井架安全实时监测及动态分析系统、设备故障远程诊断虚拟系统、井架状态监测参数越限预警手机app 系统等进行安装调试。

本系统采用MYSQL 服务器提供原始井下数据，对实时数据进行采集存储，通过编写接口协议文档，以JDBC 通信协议与数据库相连。它可以为多种数据库提供系统访问，并通过Java 语言编程构建更高级的数据应用程序。

为验证该系统理论的正确性和可行性，对系统进行现场测试。监测系统性能测试地点选为南屯煤矿副井井架，通过对井架桁架、立柱、斜柱等部分应变的监测，确定该监测系统的使用性能。

图4 测试监测界面

当监测设备之间有信号传输时，组态画面中显示应变信号数值，如图4。在提升机运行的过程中，应变信号会发生不规律的变化，其中在停关机的过程中尤为明显，此时信号的传输正常。若组态画面中加速度数值显示“？？？”时，则表示信号中断，设备中间的信号传输不正常。通过现场的安装测试，监控画面能够实时更新数据，表明信号传输正常。

该项目的实施完成大大提高煤矿设备管理现代化水平，引入安全高效快捷的网络化监测和预警处理系统，用极短时间做出准确判断，找到故障点并采取针对性处理措施，进而实现高效生产，经过系统化的测试验证了井架实时监测系统的可靠性与实用性。