徐巧格，谢 娜

(1.陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2.咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

随着我国煤矿逐渐向深部开采，不仅加大了矿井的提升负担，而且提高了提升系统的安全要求。由于煤矿提升机主要任务是运输物资和人员，需要频繁启停提升机，使得煤矿提升机具有匀速、加速、减速的周期性。但是由于矿井所处的地理环境较复杂，产出的煤的容重、黏滞性变化较大，会造成罐笼卸载滞煤现象，当未发现进行“二次装载”，会造成钢丝绳断裂和坠罐的发生。因此，需要对煤矿提升机载荷进行在线监测，并进行控制和记录。随着我国数字化技术和传感信息技术的快速发展，钢丝绳张力监测技术已经趋于自动化和功能化。国内外学者对其进行了诸多研究，文献[1-2]利用颗粒阻尼减振传感器，研究了钢丝绳张力及载荷的动态监测，通过阻尼耗能，有效耗散了钢丝绳耦合振动引起的载荷冲击，滤除了钢丝绳张力信号中的噪声，更精确地实现了对钢丝绳张力及提升载荷的测量；文献[3]研究了主井提升机载荷动态无线监测系统，系统可以对主井提升系统装载量超限、张力不平衡、卸载余煤量超限等故障进行诊断。鉴于此，本文研究了煤矿提升机载荷动态实时监测系统，研究保障了煤矿提升机的安全稳定运行。

1 系统功能要求及需解决问题分析

(1)功能要求[4]。在进行煤矿提升机载荷动态实时监测系统设计时，需要充分考虑煤矿安全的要求。系统应具有的功能要求为：①能够对钢丝绳张力进行实时监测。能够任意时刻读取钢丝绳张力值，输出具体的图像和具体数据，并可以实时储存采集的数据，便于计算实时的提升机载荷；当发生故障时，可以及时发出警报，停止煤矿提升机的运行，确保提升机的安全运行。②能够对提升机的载荷和钢丝绳张力差进行实时监测。根据测得的钢丝绳张力，计算出总载荷量，然后得出提升机罐笼的静载荷，从而实现提升机载荷的实时监测；需要对提升机钢丝绳张力差进行计算，得出钢丝绳的张力平衡情况。

(2)需解决问题[5-6]。在满足系统功能的前提下，应该还需解决的问题：①由于矿井井筒环境较为复杂，会对无线信号传输产生影响，在系统设计时，应增加泄漏电缆，确保无线信号的准确性和实时性；②根据煤矿安全要求，系统硬件应能适应恶劣的环境，在设计系统电路时，应考虑电磁抗干扰设计；③由于提升机罐笼在卸载和转载过程中会产生不规律抖动，致使张力平衡装置的油压产生不规律变化，当进行下位机设计时，需要考虑这些数据波动，避免误报警或误判断。

2 提升机载荷监测方法分析

煤矿提升机载荷动态实时监测系统的设计主要是对传感器的选型和安装位置的选择，传感器的承载能力>10倍的实际载荷。在考虑钢丝绳强度和钢丝绳破坏基础上，将位移传感器安装在平衡油缸上来监测油缸的位移，从而监测钢丝绳的张力情况。在煤矿提升机载荷动态实时监测系统中，将油压传感器串联安装在液压自动平衡装置，用于控制油压传感器的通断与控制自动平衡装置，便于传感器的更换与维修。油压传感器现场安装如图1所示。

图1 油压传感器现场安装示意Fig.1 On-site installation of oil pressure sensor

3 系统总体方案设计

在油缸顶部和平衡油缸法兰上安装位移传感器，在煤矿提升机平衡油缸旁边安装油压传感器，将采集的位移和油压电压信号通过数据采集装置与无线模块实现处理和发送，采用RS485/232转换器把信号传输至上位机。上位机通过Lab View监测程序，对接收到的信号进行分析和处理，当监测到系统过载或者发生故障时，将发出声光报警，然后通过继电器切断煤矿提升机安全回路，达到停车的目的。煤矿提升机载荷动态实时监测系统结构[7-8]如图2所示。

图2 煤矿提升机载荷动态实时监测系统结构Fig.2 Dynamic real-time monitoring system structure of coal mine hoist load

(1)通信系统。通信系统主要由终端负载、泄漏电缆组成。泄漏电缆(无线数据接收天线)沿着井壁铺设，将采集的数据传输到接收装置，经过转换器传输至上位机，对数据进行处理和分析。

(2)位移和油压数据采集发射装置。将位移和油压数据采集发射装置安装在2个罐笼顶端，发射装置主要由防爆外壳、供电电池、无线通信模块、采集电路板组成。

(3)工控机。该设备是系统故障诊断和数据处理的中枢，能够完成数据的分析、串行接收、记录、报警、显示。

(4)罐笼行程监测装置。主要由数据处理电路板、继电器、接近开关、霍尔传感器组成，利用霍尔传感器对滚筒转数进行监测，计算出罐笼实时的行程。

4 系统通信方案设计

系统通信方案的设计主要包括上位机通信、数据采集发射装置与泄漏系统通信。

(1)上位机通信。上位机需要完成和基地台、井口大屏幕显示装置、罐笼行程监测装置的通信，煤矿提升机载荷动态实时监测系统的上位机主要是工控机，具有强大的数据处理能力，能够对数据进行记录、显示、计算和处理[9-10]。本文采用RS485和RS232串行通信方式来完成其他设备与上位机间的数据传输。上位机与数据采集发射装置通信流程如图3所示。

图3 上位机与数据采集发射装置通信流程Fig.3 Communication process between the host computer and the data acquisition and launch device

(2)数据采集发射装置与泄漏系统通信。数据采集装置主要采用无线通信，并安装在罐笼上。由于无线信号在数据传输中距离过短，需要采用泄漏系统进行通信，信号经过泄漏电缆传输到接收装置。该方式具有准确度高、效率高等特点。本系统无线通信波特率选取2 400 bit/s。泄漏同轴电缆结构如图4所示。

图4 泄漏同轴电缆结构Fig.4 Leaky coaxial cable structure

5 监测系统的硬件设计

5.1 数据采集发射与接收装置

煤矿提升机载荷动态实时监测系统下位机硬件主要由上位机、RS485/232转换器串行通信扩展、罐笼行程装置、泄漏通信系统和油压位移数据采集发射装置组成。采集发射装置主要由供电电池、无线通信模块、数据采集存储电路组成[11]。

(1)数据采集电路。数据采集电路主要采用STM32CBT6型单片机，系统输出的信号为4～20 mA的电流信号，能够驱动16位8通道AD7708型数模转换器。系统选择油压传感器量程为1～40 MPa，对应A/D转换误差为0.000 6 MPa；位移传感器的量程为80～5 000 mm，对应A/D转换误差为0.075 mm。数据采集发射装置电路功能框架如图5所示。

图5 数据采集发射装置电路功能框架Fig.5 Circuit function framework of data acquisition and transmission device

(2)数据存储电路。采集板将收集到的位移数据和油压数据经过A/D转换，采用STM32的SPI接口技术，将数据存储到SD卡。

(3)无线通信模块。本文采用TDX868A无线数据传输模块，该模块具有稳定可靠、安装方便、收发一体等特点，采用频率合成技术，能够提供RS485、RS232、TTL接口。

(4)供电电池。本文选用磷酸铁锂电池作为移动电源，用于数据采集发射装置的供电电池，电压等级为14.6 V，容量为60 Ah。并通过5 V稳压单元和24 V升压模块得到5 V和24 V作为单片机、位移传感器和油压传感器的电源。

(5)数据接收装置。数据接收装置主要由泄漏电缆、无线传输模块和变压电路板构成，使用泄漏电缆接收无线信号，安装在井口，并通过RS485通信电缆传输到上位机。

5.2 罐笼行程监测装置

罐笼行程监测装置用于实时采集罐笼的行程信号，安装在提升机绞车房内，能够完成以下功能：①可以控制开车回路通断，当监测参数超限时，系统发出报警警示并切断开车回路；②能够实时监测提升罐笼的位移，在提升机转动轴上安装双霍尔传感器和磁钢，用于监测钢丝绳的下放或提升的长度及运行速度；③对罐笼到位开关量信号进行实时采集，以获取精确的到位信息。罐笼行程监测装置程序流程如图6所示。

图6 罐笼行程监测装置程序流程Fig.6 Cage stroke monitoring device program flow

双霍尔传感器脉冲信号的最高频率为100 kHz，通过计数器来实现双霍尔传感器信号的检测脉冲电平的变化，对脉冲个数进行加减操作。脉冲计数程序流程如图7所示。

图7 脉冲计数程序流程Fig.7 Pulse counting program flow

5.3 大屏幕显示装置

大屏幕显示装置采用LED显示屏，能够显示主副罐笼的剩余电量和主副罐笼的静载荷等，LED和上位机的数据通信协议见表1，利用上位机LabVIEW串口，把监测的数据发送到显示电路板。

表1 LED和上位机的数据通信协议Tab.1 Data communication protocol between LED and host computer

5.4 抗干扰措施

(1)电路的抗干扰分析。电路的抗干扰设计有很多，目前常采用的有3种：提高敏感元件的抗干扰能力、切断干扰传播的路径和抑制干扰源。

(2)消除电磁干扰。主要采用的措施：①合理的导线宽度。电感的大小和导线的长度呈正比，和宽度呈反比，在选择电路布线宽度时，应选用短粗的导线。②合理的布线策略。在布线时，当数据采集板电路中信号走线应采用相邻两层走线且平行走线，减小分布电容和导线电感。

6 结语

根据系统功能要求及需解决问题，设计了煤矿提升机载荷动态实时监测系统与系统通信方案，研究了监测系统的硬件，主要为数据采集发射与接收装置、罐笼行程监测装置、大屏幕显示装置，并分析了抗干扰措施。