（机械电子工程专业论文）矿井提升钢丝绳监测装置研制及模拟分析.pdf

摘要 捅要 立井提升机作为矿井出煤的关键设备 其运行状态直接关系到矿井的经济效 益 为保证提升安全 箕斗提升必须采用定量装载 由于煤矿生产的原煤受水分 矸石含量等影响 容量和粘滞性变化较大 不可避免的发生计量偏差即 二次装 载 现象 由此可能导致绞车反转等事故发生 严重影响煤矿安全生产 因此 研究矿井提升箕斗装卸载监测保护装置十分必要 为避免此类事故的发生 本课题对淮南矿业集团谢桥矿的多绳摩擦提升系统 实验性设计改造 为其主井多绳摩擦式提升系统设计了箕斗载煤量动态监测系统 首先 本文建立了提升系统力学模型 对钢丝绳在整个提升过程中的张力进 行分析 找出最大张力点 为张力测量传感器的选用提供指导和依据 其次 本文分别对系统的硬件和软件进行设计 在本系统设计中 以m s p 4 3 0 单片机和s m l 0 a 应变式压力传感器为核心 将系统分为箕斗载荷动态监测 数 据无线发射传输 地面数据处理三部分 其中 箕斗载荷动态监测部分实现数据 的采集 存储和处理 数据无线发射部分实现与上位机的通信功能 地面数据接 收后 上位机对其进行处理 判断 当箕斗在上井口卸载时 提升钢丝绳的张力 逐渐降低 监测系统显示的实时监测值接近空箕斗钢丝绳的张力时 便可认为箕 斗已经卸载完毕 系统发出信号 提升机制动闭锁解除 提升机反转 空箕斗下 放 否则 监测系统发出报警信号 提升机制动闭锁启动 提升机无法运转 需 工作人员及时处理 最后 通过实验室模拟来检测本监测装置各功能实现情况 实验结果与理论 结果相符 其通信方式 硬件电路及上位机软件基本上能满足多绳提升系统箕斗 装卸载数据的采集 传递 接受及显示 分析 图 4 5 表 1 1 参 5 3 关键词 提升系统 二次装载 监测系统 实验室模拟 分类号 t h 2 2 1 a b s t r a c t a b s t r a c t a sk e ye q m p m e n tu s e di nac o a lm i l l e t h es h a f th o i s tr u n n i n gs t a t u si sd i r e c t l y r e l a t e dt ot h ee c o n o m i cb e n e f i t t oe n s u r et h ee n h a n c e m e n ts a f e t y s k i ph o i s t i n gm u s t q u a n t i t a t i v el o a d d u et ot h ec o a lm i l l ep r o d u c t i o na f f e c t e db yt h em o i s t u r ea n dt h e g a n g u ec o n t e n t t h ec a p a c i t ya n dv i s c o s i t ya r ec h a n g e dg r e a t l y t h a tw i l lc a u s et h e m e a s u r e m e n tb i a sa l s ok n o w n 嬲t h e s e c o n d a r yl o a d p h e n o m e n o n t h i sm a yl e a dt o i n c i d e n t ss u c h 觞w i n c hl 屯v e l s a ls e r i o u s l ya f f e c t e dt h ec o a lm i n ep r o d u c t i o ns a f e t y t h e r e f o r e t h es t u d yo f t h em o n i t o r i n gd e v i c ea b o u tm i n e h o i s t i n gr o p ei sn e c e s s a r y i no r d e rt oa v o i ds u c hi n c i d e n t s t h es u b j e c tc a r r i e so u ta ne x p e r i m e n t a ld e s i g n t r a n s f o r m a t i o nf o rt h em u l t i r o p ef r i c t i o nh o i s ts y s t e mo fh u a i n a nm i n i n gg r o u p x i e q i a om i n e a n di ta l s od e s i g n sam o n i t o r i n gd e v i c ef o ri t sm a i ns h a f tm u l t i r o p e f r i c t i o nh o i s ts y s t e m f i r s to fa l l t h em e c h a n i c a lm o d e lo fh o i s t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h r o u g ha n a l y s i so fw i r er o p et e n s i o ni nt h ew h o l eu p g r a d ep r o c e s s t h em a x i m u m t e n s i o np o i i l ti sf o u n d s oa st op r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n db a s i sf o rt e n s i o n s e n s o rs e l e c t i o n s e c o n d l y t h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r w i t h m s p 4 3 0m c ua n ds m l 0 as t r a i np r e s s u r es e n s o r 弱t h ec o r e t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t os k i pl o a dd y n a m i cm o n i t o r i n g d a t at r a n s m i s s i o nr a d i oe m i s s i o n g r o u n dd a t a p r o c e s s i n g s k i pd y n a m i cm o n i t o r i n gp a r ti sd e s i g n e df o rt h ed a t ac o l l e c t i o i l s t o r a g e a n dp r o c e s s i n g d a t aw i r e l e s st r a n s m i t t e ri st oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s t c o m p u t e r w h e ng r o u n d b a s e dd a t ai sr e c e i v e d t h eh o s tc o m p u t e ri st op r o c e s sa n d j u d g m e n ti t w h e nt h es k i pi si nt h ew e l l h e a d t h eh o i s t i n gc a b l et e n s i o ng r a d 砌l y r e d u c e da n dt h em o n i t o r i n gs y s t e md i s p l a y sr e a l 4 i m em o n i t o r i n go ft h ev a l u eo fc l o s e t oe m p t y t h e ns k i pr o p em n s i o nc a nb ec o n s i d e r e du n i n s t a l lc o m p l e t e l y t h es y s t e m s i g n a l st oe n h a n c em e c h a n i s m sf o rm o v i n gl a t c hl i f t i n gh o i s tr e v e r s a l e m p t ys k i pi s d e c e n t r a l i z e d o t h e r w i s e t h em o n i t o r i n gs y s t e ma l a r ms i g n a lt oe n h a n c em e c h a n i s m s f o rm o v i n gl a t c hs t a r th o i s tu n a b l et oo p e r a t e a n dn e e dt os t a f fa t i m e l ym a n n e r f i n a l l y t h em o n i t o r i n gd e v i c ef u n c t i o n a la c h i e v e m e n ti s t ob et e s t e dt h r o u g h l a b o r a t o r ys i m u l a t i o n s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l t sm a t c hw i t ht h e t h e o r e t i c a lr e s u l t s a n dt h e i rm e a n so fc o m m u m c a t i o i l h a r d w a r ec i r c u i t sa n dh o s t 安徽理工大学硕十学位论文 c o m p u t e rs o f t w a r eo a nb a s i c a l l ys a t i s f yt h em u l t i r o p ew i n a 吨s y s t e m s k i pl o a d i n g a n du n l o a d i n go fd a t ac o l l e c t i o n t r a n s m i s s i o n r e c e i v ea n dd i s p l a ya n da n a l y s i s f i g u r e 4 5 t a b l e 11 r e f e r e n c e 5 3 k e y w o r d s u p g r a d es y s t e m s e c o n dl o a d i n g m o n i t o r i n g s i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g t h 2 21 i v 引言 引言 随着矿井深度的增加和立井提升量的增大 多绳摩擦式提升设备由于体积小 重量轻 提升能力大 安全性能好 适合于深井等优点 成为我国各大煤矿的主 要提升设备 目前 国内采用的多绳摩擦式主井提升设备 基本上都没有安装箕斗卸载状 况监测系统 箕斗卸载状况监测不准确 可能致使箕斗中煤炭没有卸载完便下放 从而导致二次装载 这种情况可能会使摩擦提升机电动机超载 摩擦式提升机钢 丝绳打滑 制动距离过长 并容易发生过卷事故 箕斗卸载状况的监测直接影响 到提升循环周期的长短和生产的安全性 为了保证安全 国内外的提升设备监测水平已有较大进步 功能和自动化程 度都有较大提高 但总体来看 还存在着两个问题 第一 进口仪器普遍价格昂 贵 且功能方面不能完全满足生产的实际需要 这些进口仪器很难得到普及 第 二 国产的在线监测设备整体水平还比较低 不能适应矿井复杂的工业环境 难 以满足现代化生产的要求 针对这种现状 并为满足有关企业的实际需要 我们 开发研制了一种新型的矿井提升监测系统 本监测系统与现有提升机控制系统搭配使用能够实现系统自动控制箕斗上下 井 并对箕斗运行过程的异常负载给予实时报警提示 工作人员可以根据界面提 示信息进行对症处理 当箕斗下井前 箕斗重量超过给定范围值时给予报警 并 启动提升机制动闭锁控制箕斗不再下井 工作人员可以根据系统提示信息 对箕 斗及钢丝绳进行抢修 卸载 抢修完毕后 系统监测状况回复正常后 按下工作 按钮 解除闭锁状态 使其正常工作 从而有效地防止了二次装载的发生 本文拟通过实时测量钢丝绳的张力来判断箕斗中的煤是否卸净 为了设计出 适用于本监测系统的传感器 拟定在设计中采取以下措施 1 针对现场参数 对钢丝绳进行张力分析 得出其最大张力值 2 由现场张力平衡装置的使用原理 分析出传感器的外形尺寸及性能指标 3 传感器加垫在张力平衡装置油缸底盘和挡板之间 测出的张力信号通过无 线传输的方式传到井口的接受装置上显示 此设计既避免了对现场恶劣环境 同 时满足了矿井安全防爆的要求 张力监测不仅可判断卸载状况 还可代替定量斗 来实现定量装载 另外 在摩擦式提升机中还可以监测多根提升钢丝绳的张力平 衡情况 为了适应煤矿作业的恶劣环境 监测系统设计拟采用以下措施 安徽理1 二大学硕士学位论文 1 通过监测出井口周期来判断箕斗的位置 箕斗在上或下降过程中 由于井 较深 7 1 4 8 米 且为封闭式竖井 故可以通过信号消失周期来判断箕斗是上升还 是下降 通过对卸载状态的监测转换为对箕斗重量的监测 将此重量和空箕斗重 量相比较来确定箕斗中的煤是否卸净 2 对矿井提升容器运行情况检测设备的数字化改造 利用微型单片计算机监 测提升钢丝绳的提升状态 使之具有一定的数字化功能 可以解决机电控制系统 难以解决的问题 3 本监测系统总体上分为数据采集系统和数据分析系统 数据采集系统也就 是通常说的下位机系统 分为单片机 外围传感设备 主要用来采集各钢绳的张 力 并作一些相应的计算 显示 数据分析系统为通常所说的上位机软件 主要 用来进行数据的记录 绘制曲线和分析 上位机采用普通的微型计算机 下位机 和上位机之间采用无线串口联接 下位机接受传感器信号通过a d 转换 将钢绳 张力通过无线电发送给上位机 上位机通过分析 计算得到箕斗的总重 净重 从而判断是否超载 未卸空 将信号通过工控盒控制声光报警器是否报警 本课题设计的监测系统通过对样机进行实验室模拟 预期达到以下结果 1 报警监测 超重报警 煤与箕斗的总重量超出设定值 系统自动检测并超 重报警 钢绳不平衡报警 每个箕斗六个钢丝绳受力不均超出设定值 系统自动 检测并报警 未卸空报警 煤与箕斗的总重量超出设定值 系统自动检测并超重 报警 此功能为主要功能 2 计量监测 监测每次运输中每个箕斗6 根钢丝绳各个的张力 监测每次提 升运输中煤与箕斗的总重量 3 绘制出钢丝绳张力一时间曲线 箕斗重量一时间曲线 且箕斗数据 曲线图 可形成报表 2 1 绪论 1绪论 1 1 课题来源和目的 本课题是与淮南矿业集团合作的科技项目 主要通过对主井钢绳张力的实时 监测来防止二次装载 矿井提升机作为煤炭行业的大型机电设备之一 担负着提升煤炭 矸石 下 放材料 升降人员和生产设备的重要任务 素有 矿井咽喉 之称 其运行的安 全性 可靠性和经济性 对煤矿安全有着重要影响 随着矿井深度的增加和提升 量的增大 多绳摩擦提升设备由于体积小 重量轻 提升能力大 安全性能好 适合于深井等优点 成为我国各大煤矿的主要提升设备 主井提升机作为矿井出煤的关键设备 其运行状态直接关系到矿井的经济效 益 为保证提升安全 煤矿安全规程 规定箕斗提升必须采用定量装载 由于煤 矿生产的原煤受水分 矸石含量等影响 容量和粘滞性变化较大 这就不可避免 的发生计量偏差和箕斗没有卸空而造成的箕斗滞煤现象 若箕斗滞煤不能及时发 现 再次装载后将导致过载 需要花费许多时间人工卸掉 严重耽误生产时间 如过载没有及时发现并处理 会造成绞车提不动 更为严重的是由可能发生绞车 反转 导致重大事故发生 严重影响煤矿安全生产 因此 实现钢丝绳承载大小及各钢丝绳之间载荷平衡状态的动态监测 随时 了解钢丝绳受力状态的变化 有助于对箕斗装载情况的了解 并及时调整 以减 少事故隐患 做到安全生产 因此 研究矿井提升箕斗卸载监测保护装置十分必 要 1 1 3 1 1 2 国内外研究现状 箕斗卸载状况 最初是通过卸载时间来判断的 当电控系统发出指令使卸载 闸门打开 经过一定的实际间隔后 可认为卸载完毕 此方法比较简单 不用增 加额外的硬件 因此得到了广泛的应用 但随着煤矿大型化 深入化的发展 煤 质成分更加复杂 粘度 适度变化较大 卸载时间也应随着变化 操作人员必须 根据各阶段的煤质来选择合适的卸载时间 但时间的确定没有意见 故导致了现 在二次装载事故的频繁发生 目前国内外文献中对箕斗卸载状况的监测大致有以 下三种方法 龙口矿务局某矿 4 5 1 的箕斗卸载监测中 采用了超声波传感器 利用反射原 3 安徽理工大学硕士学位论文 理通过时间差的计算来测量的一一种测量方法 在使用过程中发现以下问题 当探 头表面有煤尘时 会对读数造成误差 因此需定期清理探头表面而且最好选用具 有自洁功能的传感器 即通过探头表面的震动使其不易粘附煤尘 传感器的安装 位置和角度很重要 要调整好超声波的发射角度使声波束对准物料表面 建议使 用带瞄准器的传感器 6 以便瞄准角度 安徽理工大学周孟然教授 7 应用激光技术监测提升速度及位置 当激光技术 用于卸载监测时 在井口卸煤处安装放射源和监测探头 它们分别位于箕斗卸煤 口两侧同一水平 探头监测到的辐射强度在箕斗卸净前后相差很大 利用此原理 就可以判断箕斗的煤是否卸净 但激光传感器属于精密仪表 对现场安装要求高 维护量大 发光元件寿命短且价格昂贵 且只用于判断箕斗内煤的有无 不能定 量监测剩煤量 且激光具有放射性 位于井口附近 难免对人体有一定的伤害 因此激光技术在箕斗煤位监测中应用较少 中国矿业大学李占芳 钔 安徽理工大学裴九芳 9 哈尔滨工业大学武健 1 0 1 太原理工大学李海军 1 1 1 等用软件对钢丝绳动张力进行了仿真分析 1 2 h 1 4 1 但由于 煤矿现场环境复杂 建模时要素可能会不够周全 且未研发样机进行实验 故很 难进行现场推广使用 本课题通过实时测量钢丝绳的张力来判断箕斗中的煤是否卸净 传感器加垫 在张力平衡装置油缸底盘和挡板之间 测出的张力信号通过无线传输的方式传到 井口的接受装置上显示 避免了对现场恶劣环境 同时满足了矿井安全防爆的要 求 张力监测不仅可判断卸载状况 还可代替定量斗来实现定量装载 另外 在 摩擦式提升机中还可以监测多根提升钢丝绳的张力平衡情况 一旦研究成果应用 于现场将会有效的防止二次装载的发生 为煤矿的高效生产提供保障 1 3 课题研究的主要内容 本监测装载对煤矿主井提升箕斗卸载状况进行监测 及时发现箕斗不能卸空 的危险情况并采取相应补救措施 保证主井提升系统安全运行 1 3 1 研究内容 根据系统的设计指标和技术要求 给出在矿井恶劣环境下提升监测系统的数字 化显示 本课题的主要内容是 1 监测系统主要由三部分组成 即箕斗载荷动态测量部分 数据无线发射传 输部分 地面数据处理部分 4 i 绪论 2 传感器设计研究及其安装方案的确定 提升载荷转换成电信号所采用的机 理 3 传感器信号处理及信号传输系统研究 主要研究传感器小信号在干扰情况 下准确放大处理和精确模数转换问题 4 信号接收处理系统 1 5 1 6 1 研究 主要研究怎样准确接受n 7 1 传输系统发送来 的信号 并将该信号正确传输到主机系统 5 监测主机系统研究 主要研究监测主机显示 存储和打印载荷数据的功能 及方式以及未卸空报警等功能 1 3 2 技术方案 矿井提升监测装置的系统设计流程如图1 所示 图1 系统总体设计流程图 f i g 1 f l o wd i a g r a mo f t h es y s t e md e s i g n 5 安徽理 亡大学硕士学位论文 1 3 3 技术关键 为了实现监测功能 将监测系统与矿井提升系统很好的结合起来 本课题的 研究关键是 1 精确测量箕斗载荷 2 传输系统防水防潮及防砸措施 3 可显 示箕斗卸载前载荷和卸空后载荷数值及卸载过程的载荷变化曲线 能可靠判断箕 斗是否将煤炭卸空 出现未卸空状况能及时报警 可监测定量斗向箕斗中装煤的 情况 判断装煤过程中是否有洒落情况发生 4 可存储 显示和打印一个月的监 测数据 1 4 课题研究的意义 本课题是由对箕斗载荷监测的实际需要提出 符合谢桥煤矿现场实际需要 预计通过本项目的实施 可进一步保证箕斗载荷卸空 减少事故发生 每监测到 一次箕斗过装载事故 就能减少事故处理时间至2 小时 可多提升煤炭3 0 0 0 吨 按2 0 0 元 吨计算 可减少直接经济损失6 0 万元 减少的间接经济损失数额更大 因此 该项目符合现代化矿井高产高效的生产要求 同时也可改善工人工作环境 减轻工人劳动强度 因此具有良好的经济效益和社会效益 目前 国内还没有提 升机载荷卸空监测系统 而因箕斗载荷未卸空而导致的事故频频发生 因此 该 系统具有广泛的推广应用前景 6 2 监测系统设计 2 监测系统总体设计 本课题开发出提升箕斗张力的信息数字化采集系统 来防止矿井提升机二次 装载 给提升机司机以准确 明显的显示和提示 2 1 监测系统功能要求 立井提升机 1 8 1 作为矿井出煤的关键设备 其运行状态直接关系到矿井的经济 效益 为保证提升安全 煤矿安全规程 规定箕斗提升必须采用定量装载 由于 煤矿生产的原煤受水分 矸石含量等影响 容量和粘滞性变化较大 这就不可避 免的发生计量偏差和箕斗没有卸空而造成的箕斗滞煤现象 若箕斗滞煤不能及时 发现 再次装载后将导致过载 需要花费许多时间人工卸掉 严重耽误生产时间 如过载没有及时发现并处理 会造成绞车提不动 更为严重的是由可能发生绞车 反转 导致重大事故发生 严重影响煤矿安全生产 因此 研究矿井提升箕磬装 卸载监测保护装置十分必要 本监测系统预达以下功能 1 计量监测 监测每次运输中每个箕斗6 根钢丝绳各个的张力 监测每次提 升运输中煤与箕斗的总重量 2 报警监测 超重报警 煤与箕斗的总重量超出设定值 系统自动检测并超 重报警 钢绳不平衡 1 9 报警 每个箕斗六个钢丝绳受力不均超出设定值 系统自 动检测并报警 未卸空报警 煤与箕斗的总重量超出设定值 系统自动检测并超 重报警 此功能为主要功能 3 绘制出钢丝绳张力一时间曲线 箕斗重量一时间曲线等 4 箕斗数据 曲线图可形成报表 可浏览 存储 拷贝等 5 留有网络接口 可以连网 便于企业形成d c s 6 控制功能 备用 系统预留开关触点 可接外围控制设备 亦可形成系 统联锁控制 2 2 提升系统力学模型 多绳摩擦式提升机在工作中 各钢丝绳间受力是不平衡的 导致各钢丝绳和绳 槽摩擦衬垫的磨损也不均匀 这样就影响了钢丝绳和摩擦衬垫的寿命 实践证明 当张力差能控制在 1 0 之内 可以大大延长钢丝绳和衬垫的使用寿命 能有效地 防止断绳事故的发生 7 安徽理工大学硕士学位论文 目前对钢丝绳张力平衡的研究 主要分析了造成不平衡的原因 危害以及消 除钢丝绳张力不平衡的方法 而对如何测量张力的大小的研究较少 特别是在对 钢丝绳的张力的测量时力传感器的选用研究很少 因此我们要对提升系统的力学 模型进行研究并对钢丝绳在整个提升过程中的张力进行测定 找出最大张力点 为张力测量传感器的选用提供指导和依据 有关文献 2 7 m 3 0 1 已对钢丝绳动力做过一些研究 但其研究的都是以往的老机 型 对新型摩擦提升系统来说 在建模中对提升尾绳的考虑是必须的 多绳摩擦式提升系统图如图2 所示 由动力学方程可知 在整个运行过程中 对应重载上提升箕斗悬挂装置处的一根钢丝绳张力为 丁 q q g q h x q q a 4 螋口 2 1 g 式中 q 箕斗自重 船 q 一有益载荷 k g5 g 一尾绳每米重量n mo 办一重载端尾绳环高度 m x 一重载箕斗的提升高度 mo j l d 一箕斗在曲轨内运行距离 m 5 l t 一主加速阶段行程 m 一等速阶段行程 m 反一减速阶段行程 m 玩一爬行距离 m 其中h h o l i4 h m 蚝 h 4 日一提升高度 m 8 2 监测系统设计 图2 多绳摩擦提升系统图 f i g 2d i a g r a mo f t h em u l t i r o p ef r i c t i o nh o i s ts y s t e m 在多绳摩擦式提升系统 3 1 1 3 3 1 中 通常采用交流拖动 双箕斗提升 其箕斗在 井筒中常采用等加速度图即图3 示的六阶段速度图 图3 提升速度图和加速度图 f i g 3d i a g r a mo f t h eu p g r a d i n gv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n 2 3 钢绳张力分析 通过多整个提升过程的钢丝绳变化情况分析 将各阶段参数带入2 l 式 得出 如表l 所示各阶段钢丝绳张力 3 4 1 3 5 计算公式 9 安徽理工大学硕士学位论文 提升开始 死 q q g 和 q a o h g 初加速结束 矗 q q g q h q 9 口o q a o l l h o g 主加速开始 五 幺 q g q h q q a o g c l l h o g 主加速结束 互 皱 q g q h i i l o 啊 q q a o q a o i l o h g 等速开始 乙 q q g q h l o 啊 等速结束 瓦 q q g q h h i k 减速开始 五 q 加 q f h h o 红 k q q a 3 一q a 3 h h o k g 减速结束 q 纵 和 k 魄 q 如一q 码 h h o 啊 h d g 爬行开始 死 q q g q h i l l k 爬行终了 z q q g q h 1 1 k 坞 啊 斛巢笺瑚载 盼q g 州 h o 即 圳 卸警等雾 个提 q q g q h q a o h g 升开始瓦 2 一 当提升系统基本参数已知时 其他参数可有运动学关系p q 得出 通过表l 将 个阶段重载上提升箕斗悬挂点钢绳张力计算出来 以提升距离为横坐标 钢绳张 力为纵坐标 其张力变化如图4 所示 图4 提升高度图和钢丝绳张力图 f i g 4d i a g r a mo f t h eu p g r a d i n gh e i g h ta n dt h er o p et e n s i o n 1 0 2 监测系统设计 由上面的分析可以看出 在整个提升过程中 钢丝绳的张力是随着提升高度 的增加而逐渐增加的 若整个提升过程为等速阶段 钢丝绳张力为图中红色曲线 所示 即连接t o 和t 4 的直线 张力的大小只与提升高度有关 而实际的六阶段 提升过程中 钢丝绳张力为图中蓝色曲线所示 张力的大小不仅与提升高度有关 同时还与提升过程中加速度的变化有关 最大张力点出现在爬行终了时刻 即图 中的t 4 点 这为选定钢丝绳张力测量传感器的测量范围提供了理论依据和指导 2 4 本课题实例计算分析 本课题调研的淮南谢桥煤矿提升系统的参数如表2 所示 表2 矿井提升系统参数和钢丝绳张力 t a b l e 2m i n eh o i s ts y s t e ma n dt h et e n s i o no nt h er o p e 安徽理工大学硕士学位论文 表2 反应了该提升系统箕斗悬挂点钢绳张力在整个提升过程中的变化规律 单绳最大张力为1 0 5 4 4 7 n 位于爬行阶段结束时 验证了前面的理论分析 由理论分析和实例验证 箕斗悬挂点钢丝绳张力随着提升高度的增加而逐渐 增加 在初加速和主加速阶段 张力有所增加 在减速阶段有所减少 因主加速 度产生的惯性力一般比因提升高度上尾绳产生的重力小 箕斗悬挂点钢绳最大张 力应出现在爬行阶段终了时爿点处 可用该点张力作为力传感器的设计选择依 据 2 5 系统设计思路 本课题通过监测出井口周期来判断箕斗的位置 箕斗在上或下降过程中 由 于井较深 7 1 4 8 米 且为封闭式竖井 故可以通过信号消失周期来判断箕斗是上 升还是下降 通过对卸载状态的监测转换为对箕斗重量的监测 将此重量和空箕 斗重量相比较来确定箕斗中的煤是否卸净 本监测系统 2 0 唯4 总体上分为数据采集系统和数据分析系统 数据采集系统 也就是通常说的下位机系统 分为单片机 外围传感设备 主要用来采集 2 5 j 各钢 绳的张力 并作一些相应的计算 显示 数据分析系统为通常所说的上位机软件 主要用来进行数据的记剥2 6 1 绘制曲线和分析 上位机采用普通的微型计算机 下位机和上位机之间采用无线串口联接 下位机接受传感器信号通过a d 转换 将钢绳张力通过无线电发送给上位机 上位机通过分析 计算得到箕斗的总重 净重 从而判断是否超载 未卸空 将信号通过工控盒控制声光报警器是否报警 对矿井提升容器运行情况检测设备的数字化改造 利用微型单片计算机监测 提升钢丝绳的提升状态 使之具有一定的数字化功能 可以解决机电控制系统难 以解决的问题 微型计算机的日益普及化 使得矿井提升机的计算机监控可行性 明显提高 通过单片机 下位机 与计算机 上位机 之间的通讯 可以完成数 据的采集及控制 实时记录计算机的运行参数 以便在遇到故障时进行诊断 1 2 2 监测系统设计 t i i i 图5 监测系统总体设计拓扑图 f i g 5t o p o l o g yo f t h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n 1 3 一一一一一一 安徽理工大学硕士学位论文 3 系统硬件设计 监测装置的硬件部分主要包括 数据采集模块 传感器和a d 转换元件 无线通信模块 电源模块及系统控制柜模块 3 1 传感器选型及结构设计 传感器 3 7 1 产品门类品种繁多 共1 0 大类 4 2 小类近6 0 0 0 个品种 有些国家 和学科领域 也将传感器称为变换器 检测器或探测器等 其应用渗透到各个产 业部门 具有很大分散性 当前传感器已相当成熟 且已商品化 如压阻式 压 电式 电容式 伺服式加速度传感器等 表3 显示了几种常用的传感器的性能与 特点 随着科学技术的发展和自动化程度的提高 作为获取外界重要信息工具的 传感器越来越受到人们的重视 对其性能的要求也越来越高 表3 常用传感器的性能与特点 1 a b 3p e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o ns e n s o r 方法传感器尺寸 重量 频专 围加毪罂9 量 特点及适用性 h z沤嘲 警压电式小轻t 5 0 0 0 1 阳0 5 9 椭航嚣慧嚣觎振 电 阻 法 电感 法 电容 法 谐振 法 磁电 法 力平 衡 光纤 法 警小 大轻 重 o o3 州o s 线性好 羹等墓轨蓁豸嘉 冲氏 见 啊腿仉职训识u 里 譬小轻 3 0 x l o o 蛸哺o o 旭稳定 鬟氛荐嘉墨喜翥 冲 塞篓大重 文o s 3 0 培黜妣嚣嚣鬻耥及 电感式小 大轻 重q 0 0 文1 0 2 0 0 g 结构简单晶曩蓑嘉塞盖蓊耋频率较低 电容式小 轻 5 0 5 0 0 01 1 0 0 0 0g 适宜频响宽 精度高的加速度测量 振弦式小 轻7 0 0 1 2 1 0 r 6 士1 5 g 用于惯性导航粪茎勃莩震 爆破 地 磁壶感 大 重 2 0 0 0 0 士 5 t g 电路简单 蓑嚣塞主施坌寸大 用于 1 司j l 艮式中中 0 5 0 0 5 0 g 黻高 线器嚣低频 低值 光纤式小轻 几百最小 j 测 气灵敏度襄 塞誓蓑茱羹豸赫薹电磁干 1 4 3 硬件设计 由提升系统的结构图我们可以看出 钢丝绳是一个统一的整体 故传感器不 能放到绳上 根据煤矿使用现场 环境恶劣 而且现场有各种大功率电机 有很 强的电磁干扰 为此我们考虑将传感器放在张力平衡装置 3 8 的活塞杆底部 在油 缸的底盘和圆形螺母之间加垫一个专门设计的应变式电阻传感器 要求传感器模 块高度尽可能低 采用轮辐式传感器配底座使用 其外形尺寸如图6 所示 a 上 图6 传惑器总装配图 f i g 6t h eg e n e r a la s s e m b l yd r a w i n go f t h es e n s o r 1 轮辐梁2 o 型圈3 球头4 底座5 内六角圆柱头螺钉 钢丝绳的拉力通过长吊杆使圆形螺母压迫传感器变形 传感器输出承压载荷 位置装配简图如图7 所示由于活塞密封阻力相对钢丝绳拉力可忽略不计 故认为 传感器输出值反映了钢丝绳张力变化 安装时只需拆装张力平衡装置的活塞 通 过传感器反馈信号控制张力平衡装置中活塞杆的伸缩 并对张力进行数字显示 进而达到控制张力使张力平衡的目的 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 一 一 6 6 1 密封蛋 3 压块 f 一 7 l i沏勿勿 刃勿 l 刀刀 髟功 i钐a n l 撅 矧 u y y 一 1 2 0 图7 传感器安装位置装配蔺图 f i g 7a s s e m b l yd i a g r a mo f t h e s e n s o r si n s t a l l a t i o nl o c a t i o n 1 油缸2 内六角柱头螺钉3 传感器4 球头 由2 4 节已经计算得出 单绳最大静张力为1 0 5 4 4 7 n 位于爬行阶段结束时 由于现场中存在钢丝绳的抖动 张力差 紧急制动等不确定性因素均会使得张力 瞬间增大 故本系统将传感器的量程适度扩大 但如果选用过大 又会影响传感 器的使用精度 选用2 0 吨的传感器 现场实际中 满载箕斗上升过程中 钢丝绳 承受的总重量g o 为 g o q q 型 3 1 占 将表2 中现场参数代入式3 1 中 得出 g o 2 1 0 0 0 2 1 3 0 0 三二 半 6 4 0 2 2 8 吨 3 2 传感器的总量程r 为 r n i t o 6 x 2 0 1 2 0 吨 3 3 式3 3 与式3 2 比较后 得出r 远大于g 故本传感器选用合理 于本系统选用的传感器的性能指标如表4 所示为 1 6 3 硬件设计 表4 传感器性能指标 t a b l e ap e r f o r m a n c eo f t h e e r l 5 0 r 箕斗测力传感器 零部件三维图如图8 所示 其装配工艺过程如下 1 先按照s m l 0 b 2 0 传感器生产工艺将传感器制成半成品 2 使用8 颗m 8 x 4 5 内六角螺钉将传感器主体与底座连接 球头上配有 5 6 x 5 3 0 型圈 3 将4 颗m 5 x1 6 内六角螺钉旋进底座四个m s 孔内即可 图8 传感器零部件图 f i g 8d i a g r a mo f t h es e n s o r sp a r t s 1 传感器底座2 球头3 传感器底座4 传感器总成 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 通过在多绳箕斗悬挂装置每个平衡油缸处安装高精度力传感器 其安装位置 三维图如图9 所示 在线监测提升钢丝绳在装 卸载前后钢丝绳张力及其变化 便可确定箕斗时间装 卸载重量 具有无中间环节 误差小 并可同时监测钢丝 绳张力平衡状况等优点 图9 传感器安装位置简图 f i g 9d i a g r a mo f t h es e r l s o r si n s t a l l a t i o np o s i t i o n 3 2a d 转换元器件选择 数据采集t 3 9 4 0 在监测系统中有很重要的作用 目前高精度的a d 转换元 器件越来越多 而且现在越来越多的单片机内部集成有a d 转换器 使用起 来更加方便 通过对单片机和a d 转换器的调研 我们选用了m s p 4 3 0 单片 机 它的内核与8 0 5 2 单片机兼容 但处理速度更快 且内部集成有采用e 技术实现的 为无误码的a d 转换 特别适合测量高精度压力传感器的输出 信号 1 8 3 硬件设计 图1 0 采集器电路板 f i g 10c o l l e c t o rb o a r d s 采集电路板如图1 0 所示 其工作流程如图1 1 所示 图1 1 采集器流程图 f i g 1oc o l l e c t o rf l o w c h a r t 无线采集器工作分为两种工作状态 待机和主动上传 当采集器随箕斗运行 在矿下时因通讯困难 采集器处于待机状态 在井下区段各传感器感应箕斗重量 即单根钢丝绳的张力 数据以l o o m s 为一个点进行采集并储存在无线采集器 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 内 当箕斗运行在地表以上区段时 采集器处于主动上传状态 即将在矿下的存 储数据和当前数据采集一并上发给r t u 为确保采集器到达井口时准确进行状态切换 采用在接近地面处安装触发器 无线 并成带状分布来触发采集器工作 触发器触头与无线采集器相对间距小 于2 c m 当箕斗载煤上升 触发器感应到无线采集器时 触发无线采集器由 j 彩i 变成主动上传状态 同时发送信号给工控机 r t u 开始接收数据 无线采集器第 一时间把待机状态段的数据以2 5 m s 一组打包发给r t u 随后实时上传数据 各传 感器重量 总重量 采集器电池电压 直至卸煤完成后再次下井感应到触发器为 止 当箕斗卸煤完成后 无线采集器随箕斗空载下降 触发器感应到无线采集器 触发无线采集器由主动上传状态变成待机采集状态 r t u 输出重量信号 随后箕 斗下降进入井下装载 至此 整个箕斗的装载 上升 卸载 下降全过程为一循 环 如此周而复始运转 3 3 无线通讯模块设计 无线采集器与数据中心 s m t x e j 2 0 0 无线通讯模块 之间用x b e e 模块进行 通讯 在数据中心工控机上安装p c i 卡 s m t x 无线通讯模块以d b 9 线与工控机串 口l 连接 串口通讯 采集器主动上报数据时 s m t x 一无线通讯模块收到数据后 通过p c i 卡传输给工控机并通过液晶触摸屏显示 x b e e p r oo e mr f 模块是与z i g b e e i e e e8 0 2 1 5 4 兼容的 可以满足低成 本低功耗无线传感网络的特殊需求 该模块易于使用 极低的功耗 以及提供设 备间关键数据的可靠传输 由于设计上的创新 x b e e p r o 在范围上可以超越标 准z i g b e e 模块2 3 倍 x b e e p r o 模块工作在i s m2 4g h z 频率波段 而且与 m a x s t r e a m 公司的x b e e 1 毫瓦 z i g b e e 模块引脚兼容 对于简单的点对点通信来讲 只需要通过串行接口向x b e e 模块写数据就可以实 现数据的发送 当x b e e 模块通过无线通道接收到数据时 通过读串行接e 1 可以 很方便地获得这些数据 用u s b 电缆把a r d u i n o 与p c 机连接好之后 运行x c t u 软件如图1 2 所 示 首先我们在 p cs e t t i n g s 中里选择a r d u i n o 映射出来的串口通信端口 并设置 好波特率等参数 x b e e 模块出厂里默认的设置为9 6 0 0 8 n 1 2 0 3 硬件设计 口口 酣n 斌时姗 雠 t 图1 2 软件运行图标 f i g 1 2r u ni c o no f t h es o f t w a r e 图1 3x b e e 模块的连接 f i g 13c o n n e c t0 1 1t h ex b e em o d u l e 点击 t e s t q u e r y 按钮 测试x b e e 模块是否能连接上 如图1 3 所示 如果 一切正常 我们将看到如上图中的c o r nt e s t 对话框 会显示模块型号及版本号 如果通信参数设置都是正确的 但仍然无法与x b e e 模块通信上 则请检查u s b 连线和a r d u i n ox b c c 扩展板上的跳线 必要时可以拨掉a r d u i n o 上的a t m e g a 单 片机再试 测试通过后 转到 m o d e mc o n f i g u r a t i o n 首先点击 m o d e mp a r a m e t e r sa n d f i r m w a r e 中的 r e a d 按钮读出x b e c 模块中的当前参数 等待软件更新完毕后 再点击 r e a d 按钮读出x b e e 模块中的当前参数 接着在读出的 n e t w o r k i n g s e c u r i t y 中将 c h a n n e l 设为 c 将 p a ni d 设置为 1 2 3 4 2 1 p cs e t 6 r 牮lr t s n g et e s tlt e 丽n a lm o d e mc o n f i g u a 沁nj lm o d e mp a f a m e t e r sa 九df j f m w 6 r e p a r a m e t e rv i e w p r o f i l e v e r s i o n s 一一 旦 型i 芝坐l 苎 竺 i曼塑 ii 卜d o w n l 0 6 dn e w l 广a l w a 帏u p d e t ef i r m w 铆e s h o wd e f a u l t s i l o a d v e l o n s 1 m o d e r n x b e ef u n c t i o ns e tv e r s i o n l x b p 2 4 i x b e e p r o8 0 2 1 54 一阿i 习1 圜乞jn e o r k i r e s e c u w i b 一 j 口f c j c h c h a n n e l 管 二 甲 i 口 3 3 3 2 1 f d p a n i d 口f 0 d h d e s t i n a t i o na d dr e s sh i g h j o d l d e s t r a