矿井提升机载荷监测系统设计与应用研究

曹 勇

（霍州煤电集团， 山西 霍州 031400）

引言

随着经济和社会的飞速发展，能源需求总量逐年提升，煤炭作为人们生产生活必不可少的能源之一，其生产量和生产效率备受煤炭行业的广泛关注[1]。矿井提升机作为连接煤矿地面和井下综采工作面之间的重要纽带，其工作的安全性和可靠性直接关系着煤炭掘进能否正常开展，必须引起高度重视[2-3]。矿井提升机使用过程中经常出现过卷、卡罐、断绳等故障，研究表明，出现故障的原因之一是超载，有必要对提升机载荷进行限制，同时，《煤炭安全规程》对提升超载提出了相关要求，严禁矿用提升机超载运行[4-5]。因此，基于某煤矿矿用提升机现有控制系统现状，开展矿井提升机载荷监测系统设计与应用研究工作，对于提高提升机工作的可靠性和煤炭的产量具有重要意义。

1 现有载荷监测系统概况

载荷监测系统已有相关研究和应用[6]，取得了一定的应用效果，但也存在不足之处。载荷监测系统的硬件系统工作性能较差，使用时经常出现载荷监测不准的情况，存在安全隐患。同时，供电系统存在发热、功耗较大，无线数据传输能力受限，不适应煤矿深井通讯。软件系统进行载荷监测过程中多采用8 位单片机，数据处理能力较小，不能满足载荷数据处理分析的要求，无线数据处理速率较低，不能达到数据实时采集的目的，监测数据准确定较差。因此，针对以上载荷监测系统存在的不足，需要从硬件和软件两部分入手，开展稳定的提升机载荷监控系统的设计与应用研究工作。

2 监测系统结构

根据提升机原有控制系统和当前载荷监测系统存在的问题，完成了载荷监控系结构设计，如图1 所示。系统设计基于液压缸的油压变送法，具有很好的数据采集与传输功能。为了便于现场操作人员安全作业，系统在设备运行操作室设计了实时显示和报警提示装置，为了实现井下提升机运行参数的实时显示，在井筒与运行操作室之间设计了无线通信系统。由图1 可以看出，系统的主要组成部分包括信号采集、数据通信和上位机等。

图1 载荷监测系统结构

3 硬件设计

3.1 传感器选型

载荷监测系统功能实现的主要外设是传感器，对压力变送器的选型主要根据其输出信号类型、输出电压等参数，结合提升机载荷监测系统实际需求，以及液压缸所处的工作情况，选择了型号为NS-P-I7 的压力变送器。相关数据显示，该压力变送器具有EMC 检测报告，经过了严格的温湿度检测，安全防护等级为IP65/IP67，可输出直流24 V 的数字量信号，具有很好的可操作性和精度，满足矿井提升机载荷监测系统的设计要求。实物如图2 所示。

图2 压力变送器

3.2 数字量隔离

工业中使用较为广泛的是数字量信号，主要由传感器实时采集得到，包括提升机液压缸的上下限位、罐笼闸门开闭、轿厢到位信息等，系统配置了十六路数字信号采集接口，信号为DC24 V 的开关量。数字量隔离采用光耦隔离，主要由于数字量电路极易出现超出单片机的最大灌入电流，采用光耦隔离方法，就能确保单片机处理数字量信号时的电压匹配。

3.3 模拟量隔离

传感器采集数据的准确性取决于线性度，是提升机载荷监测系统设计的重点对象。载荷监测系统能够识别的是4～20 mA 电流信号，包括压力变送器采集得到的信号。系统选择的STM32F103VET6 单片机配置了12 路模拟量信号接口，其数据采集精度远高于传统的ADC 芯片，采用电压仅为0～3.3 V，因此需要对传感器信号进行隔离变送，如图3 所示。

图3 模拟量信号隔离

3.4 通信系统

载荷监测系统通信包括无线通信和有线通信两部分，无线通信模块选择AS62-T30，具有很好的扩频性能和较远的通讯距离，与此同时，具有功耗低、发热量小等优点。有线通信的选型要满足远距离传输要求，同时还要组网便捷，硬件结构组成涉及将TTL 转化为RS485 的无线接收转换装置、将RS485 转换为RS232 的模块。前者主要是将TTL 信号转化为RS485信号，实现井口至操作机房长距离信号传输。后者主要是将RS485 信号转化为RS232 信号，实现与工控机的信息传输。载荷监测系统通信协议转换模块选择UT-217E，具有较强的光电隔离性能，兼容多种通讯协议，不需要单独供电。

4 软件设计

4.1 下位机

根据矿井提升机载荷监测系统设计目的及硬件结构，完成了系统下位机配置软件界面，如图4 所示。由图4 可以看出，软件具有计算机串口配置参数设置功能，包括端口编号、波特率、数据位、校验方式和停止位等，使其能够匹配载荷监测数据采集接收板。复选框的存在，可以根据需要选择合适的通道和外设进行监测，同时也能够选择特定的无线发送数据。点击写入按键，就能将编制好的界面配置参数传输至单片机内部。点击读出按键，可以将系统外设运行的状态读入下位机配置界面，实现数据的双向读写。系统配置准确与否主要取决于下位机配置软件与单片机通信的可靠性，必须采用合适的通信协议，才能实现数据的实时可靠传输，实现提升机载荷监测并实时显示的目的。

图4 下位机配置软件界面

4.2 上位机

人机交互界面作为提升机监测系统的重要组成部分，主要负责实时显示提升机载荷数据，同时，监控人员也能够根据载荷实时数据进行远程的警告或者控制。基于上述作用和系统要求，完成了载荷监测系统上位机主界面的设计，如图5 所示。主界面内涉及两侧提升容器的监测信息，如系统参数、监控界面、历史查询与帮助使用等。其中系统参数包含串口参数设置、液压缸直径参数设置和串口通讯数据长度设置等。与此同时，载荷监测系统上位机主界面中还具有实时显示钢丝绳张力数据的波形图、载重量显示、运行深度显示、卡罐提示、通讯故障提示、未卸净提示、过载提示、停车提示、220 V 电源提示以及声光报警启停等功能。

图5 提升机载荷监测系统主界面

5 应用效果评价

为了验证矿井提升机载荷监测系统的可行性，将其应用于某煤炭企业的提升机中进行试运行，对系统运行情况进行为期3 个月的跟踪记录。结果显示，系统运行稳定可靠，实现了提升机载荷实时监测的效果。载荷监测系统的应用，提升了提升机近8%的有效工作时间，减少了近5%的故障排查时间，节约了提升机运行维护成本，提高了煤炭企业的产量和生产效率，预计每年可为煤炭企业新增近30 万元的经济效益，取得了良好的应用效果。