基于无线传输的提升机载荷监测系统设计与分析

2022-06-21张彦辉

山东煤炭科技 2022年5期

张彦辉

（山西煤炭进出口集团洪洞陆成煤业有限公司，山西临汾 041600）

丽景煤业目前使用的是多绳摩擦提升机，提升机最大提升高度485.3 m，提升速度7.15 m/s，提升载荷16 t，滚筒直径2.5 m，井筒内采用四车钢轨道罐笼。在运行过程中，钢丝绳和衬垫之间相互摩擦造成钢丝绳出现不同程度的磨损，加上提升机超负荷装载和重复装载使其动力严重不足，造成提升速度缓慢，甚至出现断绳情况，降低了提升机的使用寿命[1-3]。因此，需要设计一种提升机载荷监测系统，对运行过程中钢丝绳的载荷变化情况进行实时监测，从而提高提升机的效率，确保矿井的安全生产。

1 总体方案设计

提升机载荷监测系统的整体结构包括上位机、数据采集装置、无线数据接收装置、罐笼行程监测装置等部分，监测系统结构如图1[4]。其中，油压传感器主要是控制油压传感器的通断，将传感器串联在液压自动平衡装置上，便于及时更换和维修传感器。位移传感器安装在平衡油缸顶部的法兰上，通过数据采集装置将采集到的位移和电压信号发送，经无线数据接收装置对数据进行处理后，采用RS485/232 转换器将信号传输到上位机。在上位机上，通过Lab View 程序，对接收的信号进行分析和处理，如果系统出现过载或发生故障，系统会发出声光报警，通过切断继电器达到停车目的[5-6]。

图1 煤矿提升机载荷动态实时监测系统结构

2 硬件设计

2.1 上位机

上位机主要是连接基地、大屏幕显示装置以及罐笼行程监测装置的通信，采用RS485 和RS232 串行通信方式进行数据传输，具有强大的数据处理能力，能及时对数据进行记录、显示和处理[7]。

2.2 数据采集装置

数据采集装置主要是实时采集油压数据并传输油压信号，以ATmega8L 型单片机为核心[8-9]，在单片机中配置10 位模数转换器，连通8 道模拟复用装置，可以同时采集8 路单端输入电压，其中油压传感器的量程为1～40 MPa，位移传感器的量程为80～5000 mm。在液压自平衡装置上采用快速接头连接油压感应装置，以采集钢丝绳的输出电压和供电量，并将相关数据在通讯电路下传输到无线数据接收装置。

2.3 无线数据接收装置

无线数据接收装置采用TDX868A 模块，安装方便，稳定可靠，能实现收发一体化，采用频率合成技术，为其他通信提供接口[10]。

2.4 罐笼行程监测装置

罐笼行程监测装置安装在提升机的绞车房，便于实时采集罐笼行程信号，控制开车回路的通断。当监测参数超限时，系统发出报警并立即切断开车回路，通过霍尔传感器对钢丝绳的下放或提升长度进行监测，实时采集罐笼的到位开关量信号，获取精确位置信息。

3 软件设计

监测系统采用无线数据接收装置进行数据传输，采用分时通讯法对采集数据进行通讯。在作业过程中，上位机对无线数据接收装置发出指令，并将命令传输到油压采集装置中，采集装置将采集数据发送到上位机，通过循环操作，对油压信号进行实时监测。

3.1 数据采集程序设计

系统接通电源后，数据采集装置循环采集提升机上各钢丝绳的张力信号和供电信号。主程序中采用滤波均值算法，将采集作业中的干扰信号剔除，每完成10 次采集数据求取一次平均值，最终得到采集信号，对信号进行异或运算后将数据发送。数据采集和发送流程图如图2。

图2 数据采集和发送流程图

3.2 上位机软件设计

监测系统的上位机采用Lab View 编程，通过人机交互界面实现上位机和操作人员的互通，在交互界面上有用户管理、数据收发、数据处理、数据显示和记录、状态预警等模块。在运行过程中，上位机通过VISA 节点与下位机进行通讯，在软件中对提升机钢丝绳的信号进行综合分析，一旦发现有异常地方，监测系统立即发出警报，并显示故障类型和区域，将相关数据进行记录存储，为后期的类似故障提供依据。

4 效果分析

采用Adams 软件模拟提升机运行阶段的钢丝绳张力变化特性，通过获取提升机运行阶段的钢丝绳张力，将仿真得到的数据与实际工作中的数据进行对比，验证监测系统的准确性。提升机运行阶段张力曲线仿真数据如图3。

图3 提升机运行阶段张力曲线仿真数据示意图

从图3 中可以看出，随运行时间的增加，提升机钢丝绳的张力逐渐增大。提升机的加速度不同，仿真模型也不同，为了保证模拟整个模型的连续性，将尾绳的弹簧钢度和质量等效成时变函数，模拟不同工况条件下钢丝绳应力与提升时间的仿真曲线，得到仿真数据曲线和实际数据曲线如图4。

图4 提升机钢丝绳应力数据曲线对比图

从图4 可以看出，仿真数据曲线和实际监测的数据曲线变化趋势大体相同。将设计的系统应用在丽景煤业中，通过现场实际应用，系统运行一切正常，通过实时监测并判断故障，减轻了工人劳动强度，保护了设备安全，提高了工作效率，为企业创造了经济效益。因此，提升机运行阶段钢丝绳张力变化符合实际，设计的提升机监测系统能采集到精准的张力数据，可以有效模拟提升机载荷变化情况。