基于無線通訊的新型提升機松繩保護系統(tǒng)設計與研究

關小智，李 健，汪慶留，張斌斌

(華亭煤業(yè)公司山寨煤礦，甘肅 華亭 744100)

礦山提升運輸系統(tǒng)的安全面臨著許多挑戰(zhàn)，隨著提升機自動化程度的提高，其系統(tǒng)安全系數(shù)不斷提升，但仍舊存在一些安全問題，礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復雜、運行速度快、慣性大、運行特性復雜的特點[1]。目前，礦井提升機松繩保護大部分采用行程式或者觸點開關，根據(jù)現(xiàn)場使用情況，該裝置可靠性差，為解決該問題，通過對礦井提升裝置松繩保護系統(tǒng)的研究，設計出一種基于無線通訊的新型提升機松繩保護系統(tǒng)，該裝置能準確地、實時地檢測提升機的首繩在運行和停止時的狀態(tài)，提升機在運行過程中，出現(xiàn)松繩狀況，裝置將通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)傳送給提升機電控系統(tǒng)進行處理，確保礦井提升系統(tǒng)的安全運行，并且該系統(tǒng)可推廣在斜井串車提升中使用。

1 系統(tǒng)總體設計和配置

新型提升機松繩保護裝置，能準確地、實時地檢測提升機的首繩在提升機運行和停止時的狀態(tài)。如果提升機在運行過程中，出現(xiàn)松繩狀況，裝置將通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)傳送給提升機電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)接收到松繩信號后對提升機做出相應的處理，從而避免事故發(fā)生或向更嚴重的方向發(fā)展。

在現(xiàn)有的豎立井礦井系統(tǒng)中，罐籠作為井下人員出入、物料運輸?shù)耐ǖ?，因為無法進行電源和信號線纜的連接，在礦井系統(tǒng)運行中，容易造成信息死角，系統(tǒng)存在一定的安全問題[1]。

針對這一問題，通過數(shù)據(jù)采集模塊對罐籠首繩連接松繩監(jiān)測，同時利用無線通訊方式和地面控制系統(tǒng)實時連接，實現(xiàn)罐籠首繩松繩的報警和提升系統(tǒng)的及時停車排查，達到了安全實用的效果。

1.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)通過采用無線通訊方式，實現(xiàn)罐籠到井口地表的數(shù)據(jù)通訊，將罐籠內松繩接近開關檢測數(shù)據(jù)實時傳送到地表控制室，實現(xiàn)提升系統(tǒng)對罐籠松繩的實時監(jiān)測和自動控制，并通過遠程監(jiān)控中心實時監(jiān)控松繩系統(tǒng)的運行狀況。松繩檢測系統(tǒng)整體拓撲如圖1所示。

圖1 松繩檢測系整體拓撲

1.2 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)采用先進的無線充電、無線通信系統(tǒng)及IP技術，解決了罐籠信號和電源問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信號在無線及局域網(wǎng)上進行傳送，達到了罐籠松繩及時報警、電源實時監(jiān)測等功能，是一套純數(shù)字、免維護的系統(tǒng)。該系統(tǒng)結構清晰，將終端接入系統(tǒng)網(wǎng)絡進行信息聯(lián)鎖，即可實現(xiàn)提升系統(tǒng)松繩保護下的安全控制運行。

根據(jù)系統(tǒng)設計要求和目標主要采用元件包括有以下設備：①無線充電發(fā)射端：實現(xiàn)將AC220V電源的輸入實現(xiàn)高頻電磁發(fā)射；②無線充電接收端：實現(xiàn)給DC12V鋰電池電源的充電；③鋰電池：40AH；④信號檢測板：實現(xiàn)傳感器信號的數(shù)據(jù)轉換；⑤網(wǎng)橋：實現(xiàn)罐籠到地面的數(shù)據(jù)通訊；⑥信號輸出板：實現(xiàn)檢測信號的恢復還原；⑦報警器：實現(xiàn)松繩聲光警示；⑧交換機，百兆網(wǎng)絡交換機；⑨檢測開關：檢測松繩動作。

2 系統(tǒng)機械原理

罐籠松繩保護裝置主要由UPS電源、接近開關、無線收發(fā)射裝置、和罐體的懸掛器組成，利用提升機罐籠頂部的懸掛裝置的機械結構在提升機重載和松繩時發(fā)生的彈性形變，產生機械位移[2]，帶動罐籠本地的防墜器，將罐籠穩(wěn)繩鋼絲繩加緊；同時通過安裝在罐籠內部的接近開關檢測其與罐籠主體產生的位移。

從機械監(jiān)測結構圖中來分析，罐籠主體A通過懸掛器E、首繩C被提升機電控系統(tǒng)對罐籠進行提升和下放運行[12]。罐籠主體與懸掛器軸體固定連接[3]。松繩保護裝置與監(jiān)測結構如圖2所示。

圖2 松繩保護裝置與監(jiān)測結構

在正常情況下(即提升系統(tǒng)無松繩情況)，由于罐籠的自重和其中的載物重量將罐籠主體A相對向下壓，懸掛首繩拉緊，懸掛裝置E逆時針轉動并拉動彈簧使緩沖彈簧D發(fā)生彈性形變而拉伸，從而使罐籠主體A與懸掛器臂a產生相對位移。懸掛器臂比較長，相對位移量也大，當懸掛器轉動一個小的角度時，根據(jù)杠桿原理，杠桿臂越長杠桿的端的移動位移越大，所以采用懸掛器臂帶動防墜器[13]。當提升系統(tǒng)罐籠發(fā)生松繩時，彈簧靠自身彈力拉動懸掛器順時針轉動帶動懸掛器臂a向上移動，懸掛器臂a撥動防墜器的楔形[6]塊向上發(fā)生位移加緊穩(wěn)繩，實現(xiàn)罐籠的防墜機械保護[4](如圖3所示)。

圖3 罐籠防墜楔形結構

3 系統(tǒng)電氣原理

當提升機系統(tǒng)在運行時瞬間出現(xiàn)松繩現(xiàn)象時，安裝在罐籠內部的懸掛器發(fā)生動作轉動，松繩檢測接近開關被觸發(fā)動作，觸發(fā)其信號通過數(shù)字無線網(wǎng)橋發(fā)出松繩信號，接收端接收到松繩信號，同時將松繩保護信號送入提升機電控系統(tǒng)進行相應的保護處理。

罐籠松繩電氣檢測分為地表和罐籠內設備(松繩保護電氣原理圖如圖4所示)。罐籠內的電氣檢測設備包括電池、欠壓檢測模塊、信號采集模塊、無線網(wǎng)橋模塊和松繩檢測開關等。地表設備包括交換機、信號采集模塊、電源模塊和提升系統(tǒng)等。

圖4 松繩保護電氣原理

罐籠內，根據(jù)以上分析原理，當罐籠系統(tǒng)發(fā)生松繩時，松繩檢測開關發(fā)生動作，將信號送給信號采集模塊，采集模塊通過數(shù)據(jù)處理把數(shù)據(jù)轉換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，再送給無線網(wǎng)橋模塊，通過無線網(wǎng)橋系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送到地表，實現(xiàn)罐籠系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢測和采集。

松繩檢測信號傳送到地表后，數(shù)據(jù)進入信號采集模塊，通過采集模塊的數(shù)據(jù)處理，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉換為開關信號，實現(xiàn)對松繩檢測信號的實時顯示[9]。同時，無線網(wǎng)橋模塊連接到交換機，通過交換機與電控系統(tǒng)相連，實現(xiàn)松繩檢測和提升機PLC運行信號的聯(lián)鎖控制[5]。并且在上位機和管理系統(tǒng)中心可實時的對松繩檢測狀態(tài)進行查看和檢測。

同時，罐籠內也實時對供電電池電壓進行實時監(jiān)測，并通過信號采集模塊和無線網(wǎng)橋將數(shù)據(jù)傳送到地表控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對罐籠松繩保護系統(tǒng)電源的監(jiān)測。當電壓低于額定值時，地表報警箱將實現(xiàn)電壓報警，確保地表人員能實時監(jiān)測電源情況；保證系統(tǒng)正常運行。

4 系統(tǒng)供電電源解決方案

由于罐籠為移動設備，自身無法提供電源，因此為實現(xiàn)電氣松繩保護需要在罐籠內增加可持續(xù)性電源。該方案采用電池與自動無線充電方式[8]實現(xiàn)罐籠內的自動供電和充電如圖5、圖6所示。充電器由發(fā)射端和接收端組成，其原理是將傳統(tǒng)變壓器的感應耦合磁路分開，實現(xiàn)電源和負載之間不需要機械連接(比如電源線) 進行能量傳遞[11]。系統(tǒng)主要分為：初級變換器、感應耦合結構、次級變換器三部分。其特點是工作頻率和諧振系統(tǒng)的頻率是不一致的，控制方式可以使調頻、定頻移項、占空比，或者混合方式。

圖5 電磁感應式無線電力傳輸

圖6 罐籠無線充電原理

4.1 發(fā)射端配置

支持最大傳輸功率：100W；輸入電壓：寬電壓輸入，輸入電壓范圍：12～24VDC±5% (可接AC220V/24V電源變換器)；系統(tǒng)工作頻率：100～150kHz；

工作距離：6mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；傳輸效率：實測90%(接收端輸出24V，4.2A，功率100W)；水平方向：偏離中心±3mm；垂直方向：2～5mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；通信功能：發(fā)射端可以根據(jù)接收端的功率實時調整發(fā)射功率。

4.2 接收端配置

支持最大傳輸功率：100W；輸出電壓：12V；輸出電壓可調，可以輸出5～24V；輸出電流：24V/Max 4.2A(Max 100W)；工作頻率：100～150kHz；工作距離：5mm(最佳)，Max 30mm(采用大線圈方案)；傳輸效率：實測90%(接收端輸出24V，4.2A)。

4.3 電源功率計算及配置

本設計電源采用磷酸鐵鋰電池(12.8V)供電，電池電壓：12.8V，功率：40AH。由以上100W的無線充電方案充電，充電電流為7A。在電池充滿時，期間沒有任何充電可供罐籠內設備時(功率12W)～1.25AH，正常運行32h。

根據(jù)技術要求的罐籠使用情況和時間情況，罐籠在井口及各水平期間足可以將電池運行放電補充回來，實現(xiàn)無人參與的無線自動供電。

5 使用效果

新型的提升機松繩保護裝置，對提升機運行時的松繩保護將起到至關重要的作用。與此前的松繩保護相比，實現(xiàn)了真正的松繩保護監(jiān)測，能在最快的時間內將松繩保護信號送入提升機電控，達到對罐籠系統(tǒng)實時和準確的保護[7]。

此技術在礦山提升機投入應用以來，安全運行已2000多個小時，應用效果良好，深得好評，得到了礦區(qū)領導的一致認可。經(jīng)過一段時間以來的應用，與傳統(tǒng)的松繩保護相比具有明顯優(yōu)勢，傳統(tǒng)的松繩保護采用行程開關或者觸點開關監(jiān)測鋼絲繩張緊狀態(tài)下和松繩后的指定方向的偏移量，罐籠鋼絲繩松繩后偏移方向具有一定的不確定性，可靠性差[15]；傳統(tǒng)的松繩保護，行程開關或者觸點開關只能安裝在某個監(jiān)測點，不能對鋼絲繩繩體全覆蓋監(jiān)測，對松繩檢測響應時間慢；傳統(tǒng)的松繩保護，在提升機電控系統(tǒng)中僅僅顯示是否動作，不能對日常的鋼絲繩松弛量進行直觀檢測[14]；而采用本技術的松繩保護是將正常狀態(tài)下和松繩狀態(tài)下鋼絲繩首繩和罐籠主體之間的距離進行監(jiān)測，具有可靠性高、響應時間快以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)點。

6 結 語

針對傳統(tǒng)的提升機罐籠保護不可靠等問題，采用一種新型的罐籠保護裝置，通過直接檢測繩體與提升機系統(tǒng)罐籠的相對位置來確定提升首繩是否松動，并且通過無線傳輸將檢測點送到井口設備，進行提升系統(tǒng)的機械和電控控制。通過將保護裝置安裝在移動過程中的罐籠內部，以罐籠主體與其懸掛裝置之間的彈簧在提升機松繩前后發(fā)生的形變準確檢測其松繩情況，最終快速將信號通過無線方式發(fā)送到提升保護系統(tǒng)，實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)問題并進行快速處理的目的，從而提高了礦山提升系統(tǒng)咽喉(豎井提升系統(tǒng))部位通道的安全性和可靠性。