关于多绳摩擦式提升机安全系统的设计研究

2020-08-21张永浩

机械管理开发 2020年7期

张永浩

（潞安集团余吾煤业公司，山西长治 046103）

引言

随着煤矿开采深度的不断推进，传统的单绳缠绕式提升机已经无法满足实际使用需要，当前使用更多的是多绳摩擦式提升机，该种类型的提升机性能更加优越[1-3]。但多绳摩擦式提升机由于需要提升的煤矿物料非常重，导致其在运行过程中不可避免的会出现一些安全问题[4]。其中最典型的问题包括提升容器倾斜问题和振动问题、钢丝绳张力问题等[5]。因此，有必要设计一套安全系统对提升机常见的安全隐患进行监控。做到及早发现、及时排除，从根本上保障多绳摩擦式提升机的安全运行[6]。

1 多绳摩擦式提升机结构介绍

多绳摩擦式提升机的工作原理主要是依靠钢丝绳与滚轮之间的摩擦力进行工作。如图1 所示本文所研究的多绳摩擦式提升机结构示意图。提升机的具体参数如下：滚筒直径4 m，提升高度558.9 m，提升速度8 m/s，加速度0.6 m/s2，最大载重26 t，载重差13 t。图中所示的提升机结构因为很多设备是直接在地面中进行安装，即便在使用过程中出现故障问题，可以方便快速检查并排除故障问题。

2 提升机安全系统总体设计

2.1 安全系统总体结构

综合考虑矿井实际使用需要，设计研究多绳摩擦式提升机安全系统，如图2 所示为安全系统工作原理基本框图。系统中根据实际使用需要选择了有线和无线两种监测传输技术。根据总体框架需要对提升机容器倾斜情况和振动情况、钢丝绳张力进行检测，由于这些传感器需要随着提升机容器一起运动，因此通过无线传输技术实现数据传输。而尾绳部分的监测是不需要移动的，为了提升数据传输的可靠性，通过有线传输技术实现数据的传输。

图1 多绳摩擦式提升机结构示意图

图2 安全系统工作原理基本框图

安全系统总共由三大部分构成，分别为下位机、组态监控软件以及上位机。井下PLC、传感器、数据发射器等构成了下位机，井上PLC 以及数据接收器等构成了上位机。提升机在运行过程中，操作人员可以基于组态监控软件向上位机下达数据采集命令，上位机收到命令后马上向下位机发送对应的命令，通过下位机中的各种传感器对提升机的运行状态数据信息进行采集。下位机在收集得到提升机状态数据信息后，通过通信网络将其传输到上位机中，上位机再将数据信息传输至组态监控软件。然后由组态监控软件对采集到的数据信息进行存储并显示给操作人员。所有传感器的安装不得影响提升机的正常工作。

2.2 传感器类型及其安装部位

传感器是整个安全系统的基础，安全系统必须基于传感器收集得到的数据信息才能够开展数据分析工作，进而判断提升机的运行状态，是否存在安全隐患。传感器的安装位置直接影响着测量结果精度，以及传感器工作时的可靠性。所以必须在充分分析提升机结构特点的基础上设计传感器的安装位置。如图3 所示为安全系统中各传感器在提升机中的安装位置，需要用到的传感器类型具体见图。

图3 安全系统传感器布置情况

3 安全系统硬件选型设计

3.1 无线采集发射和地面信号收发装置

安全系统用到的各类监测设备必须做到体积尽可能小、重量尽可能轻。基于上述的装置选用原则，系统中的下位机传感器数据信号采集、处理以及发送等任务通过无线数据采集终端RTU 完成。无线采集发射装置发射出去的数据信号需要有对应的接收装置，该装置称为地面信号收发装置。收发装置接收到数据信号以后，将其输入到上位机中进行存储并显示。安全系统中无线采集发射装置以及地面信号收发装置全部使用nRF905 无线模块。

3.2 供电电源

各无线传感器需要通过电源对其进行供电才能够正常稳定工作。由于采用的是无线传输模式，所以需要通过可移动式电源对其进行供电。在综合考虑矿井实际环境、成本、环保等多方面因素的基础上，最终选用铅酸移动电池电源，供电电压为24 V，可满足实际使用需要。鉴于提升机的工作环境复杂，为了保障电源的绝对安全，将电源放置在防爆盒内进行保护。另外，为了铅酸移动电池电源电量时刻保持充足，设计研究了小型发电装置，该发电装置可以利用提升机的上下运动带动发电机旋转达到发电的目的。但是提升机的运行速度不是匀速的，所以发电机的发电电压肯定不稳定。考虑到发电机输出电压不稳定，还需要利用整流器对发电机的输出电压进行整流，确保铅酸移动电池电源充电电压的稳定。通过以上流程实现对铅酸移动电池电源的充电，保证电源的电量能够正常供应。

3.3 可编程逻辑控制器PLC

系统的上位机和下位机中都要用到可编程逻辑控制器PLC。基于PLC 完成远程数据信息的采集有很多优势。比如，PLC 能对故障进行自诊断，所以故障率非常低；PLC 上通常带有发光二极管，通过灯光指示能够快速找到故障问题，并对出现问题的元件进行更换，就可排除故障。出于性能考虑，系统中使用的PLC 全部选用西门子公司生产的产品。另外，在考虑性价比的基础上，选用的具体型号为S7-300CPU315-2D。这种型号的PLC 具备有较大的存储器和集中式I/O 接口，大的存储期能够保障PLC 同时处理多条指令，在工业领域得到了广泛应用。

井下PLC 的作用是对各种传感器数据信息的采集、传输和处理过程进行控制。井上PLC 则直接与计算机系统进行连接，PLC 将传感器采集到的数据信息在计算机中显示。工作人员通过观察显示器中的状态数据信息就可以掌握提升机的运行状态。操作人员还可以通过组态监控软件向井上PLC 发送指令，井上PLC 将指令转达到井下PLC，井下PLC开始启用传感器对提升机运行状态数据进行采集。然后沿着相反的路径传输到组态监控软件中。

4 安全系统软件程序设计

如下页图4 所示为本文设计的多绳摩擦式提升机安全系统软件界面。从图中可以看出，安全系统可以对提升机多个方面的安全状态进行监测。通过各个安全监测模块能够实时显示提升机的工作状态数据。工作人员通过显示器中的状态数据信息能够判断提升机的安全状态。最重要的是，当安全系统判断提升机工作状态不良时，会发出警告与提醒操作人员，包括声音警报和指示灯警报。

图4 多绳摩擦式提升机安全系统软件界面

以提升机容器振动情况为例。通过安全系统软件能够实时显示振动加速度传感器收集得到的数据信息，并绘制加速度值随时间的变化曲线。工作人员通过观察曲线能够掌握提升机的加速度状态。当提升容器的加速度超过了系统设定的阈值时，系统就会向外发出警报。不仅通过指示灯进行警报，还会发出刺耳的声音警告。通过软件界面还可以调用系统存储的历史数据，以便对前期故障问题进行深入分析。本文所研究的提升机最大加速度值为0.6 m/s2，当系统检测到提升机容器加速度超过该值就会马上发出警报。