ZAJ-3.6F礦用本安型提升機鋼絲繩張力監測裝置無線發送器

2.1 系統工作原理

在多繩提升機鋼絲繩張力平衡裝置的每個平衡油缸內安裝張力油壓傳感器，根據油缸活塞的承壓面積，得出每根鋼絲繩張力。在提升容器上安裝張力數據采集器及無線發射模塊，采用充電電池供電，將張力數據發射到與地面聯接的無線接受模塊，后經RS485通信電纜傳輸至車房上位機和井口的LED顯示屏。監測提升容器位置，上位機繪制張力與位置變化曲線，實時監測張力數據并根據張力數據及平位信號（提升容器上平位到位信號），計算和顯示提升容器的載重量和鋼絲繩張力差，提升前監測載荷及載荷差，超載及載荷差超限時預警，超限嚴重時（例超限15%）控制提升機閉鎖。對主井運算每勾重箕斗和輕箕斗的差值得出提升量，并累積得出提煤產量；對副井在井口用LED屏顯示超載量或載重差超限量數值，提升大件顯示應加配重量，乘人超載時語音報警。其它故障發生時發出語音報警信號，將報警數據載入數據庫以備查詢。

系統監測原理如圖1所示。由于井筒對無線電磁波的吸收作用比較明顯，考慮到井底數據是判斷提升超載的主要依據，本系統設計兩個無線接收模塊安裝于井筒中部位置和井口，分別用于接收井筒中部以下和以上的張力數據。井筒和井口無線接收器均有線供電，數據傳輸采取RS485通信方式。

圖1 主提升系統超載及鋼絲繩張力差在線監測原理圖

系統總體采用分時通信方式，上位機首先根據提升容器位置監測器發送的數據判斷提升容器的實時位置，發射模塊選擇與較近的接收模塊進行通信。發射模塊和接收模塊間采取應答式的通信方式，當發射模塊接收到接收模塊發射的“發送數據”指令后，發射模塊通過對指令進行確認、A/D轉換結果進行簡單計算后將其編號進行打包發送。上位機接收該數據包后進行數據校驗，并對校驗正確的結果進行分析計算。系統整體通信方式如圖2所示。

2.2 系統實現的主要功能

通過安裝在每根鋼絲繩平衡油缸旁路上的油壓傳感器，將油壓信號無線傳輸到地面、有限傳輸到車房，在線監測每根鋼絲繩的張力，具體功能如下：

1、研制高精度、抗提升容器運行振顫的鋼絲繩張力油壓傳感器，將張力信號通過無線發射和接收模塊無線傳輸到地面，發射的無線信號要排除其他設備信號的干擾，達到高的無線傳輸精度。監測提升容器位置，繪制每一根鋼絲繩的張力與位置的變化曲線，張力突然減小或增大到非正常值報警。

2、提升前監測載荷及載荷差，超載及載荷差超限時預警，超限嚴重時（例超限15%）控制提升機閉鎖。對主井運算每勾重箕斗和輕箕斗的差值得出提升量；對副井在井口用LED屏顯示超載量和載重差超限量數值，提升大件顯示應加配重量，乘人超載時語音報警。

3、張力差超限，進行預警提示，使張力差不得超過±10%。根據張力和張力差計算任一根鋼絲繩的伸長量和伸長量差值。監測到調繩器油缸活塞伸到最長（或縮到最短）和卡缸的故障時控制提升機閉鎖。

4、根據每根鋼絲繩張力值可監測提升容器靜荷重，與“制動器在線監測裝置”聯合使用，校驗是否滿足《煤礦安全規程》規定的“提升機制動時所產生的力矩與實際提升最大靜荷重旋轉力矩之比K值不得小于3。”，若不滿足控制提升機閉鎖。

5、實現實時曲線繪制、數據瀏覽、動態畫面瀏覽、語音報警提示，故障數據和歷史數據的記錄和查詢，并能根據故障類型和時間對數據庫進行查詢。可根據用方提供的局域網址，具有在局域網上發布、瀏覽功能。

礦井提升機鋼絲繩張力監測裝置設備明細表

序號	貨物名稱	型號和規格	數量
1	礦井提升機鋼絲繩張力監測主控裝置（含工控機、19英寸寬屏液晶顯示器、專用數據采集接入箱、高速采集卡、LED顯示部分等）	ZAJ	1
2	礦用本質安全型壓力傳感器（安裝8個，備用2個）	GPD40（美國產）	10
3	礦用本安型提升機鋼絲繩張力監測裝置信號采集發射箱	ZAJ-24CJ	2
4	礦用隔爆型提升機鋼絲繩張力監測裝置電源箱（含充電電池、充電器）	ZAJ-24DY	4
5	礦用隔爆型提升機鋼絲繩張力監測裝置信號接收箱	ZAJ-JS	2
6	礦用提升容器位置監測器	ZAJ-24	2
7	操作臺、屏蔽信號線、鎧裝電纜傳輸線、快速接頭等輔材		1

圖8 采集發射器本安箱三視圖

 

3.3 無線數據接收裝置硬件設計

設計兩個無線數據接收器本安箱，分別安裝于井口和井筒中部，如圖9所示。無線數據接收器接收由發射器發射的無線信號并通過RS485通信電纜傳輸至上位機，由變壓電路板和無線傳輸模塊構成。無線通信模塊供電電壓為5 V，從井上供電。由于供電電纜長度較長，電壓經過電纜傳輸壓降較大，所以供電電纜井上供電電壓為24 V，無線數據接收器內部變壓電路將24 V直流電轉化為5 V。由于井筒無線數據接收器距離上位機較遠，RS485傳輸電纜兩端需加終端電阻以匹配阻抗，在RS485通信電纜并接120 Ω終端電阻。

3.4 箕斗位置信號采集與輸出裝置

提升容器位置監測器以ATmega16L為核心，利用霍爾測速、測距原理，在提升機轉動軸安裝磁鋼和霍爾傳感器，實時測定提升機運行速度和鋼絲繩提升或下放長度，從而可以計算出提升容器的具體位置。主要完成以下功能：

(1) 實時采集提升容器平位開關量信號，為系統提供提升容器精確的到位信息。它一方面可以修正提升容器位置信號，另一方面為上位機程序故障判斷提供時間依據。

(2) 實時計算提升容器位置，為系統提供提升容器位置信號。

(3) 輸出安全繼電器控制開車回路通斷。一旦監測超載、載荷差超限，該裝置進行報警提示并切斷開車回路，控制提升機閉鎖。

提升容器平位信號，即提升容器到達上井口的開關量信號，每臺提升機有兩個提升容器，配備兩路平位開關量信號，平位監測傳感器現場安裝如圖13 所示。

提升容器位置監測是通過在提升機轉動軸安裝磁鋼，在其上方安裝雙霍爾轉速傳感器實現的。在提升機轉動軸轉動過程中，通過測量脈沖的個數及滾筒轉動方向從而得到滾筒轉動圈數和上提下放量，進而計算提升容器實時行程的。霍爾傳感器的現場安裝圖片如圖11所示，磁鋼安裝在提升機減速器轉動軸上，霍爾傳感器安裝在其上方對準磁鋼，需保證在提升機運轉過程中，霍爾傳感器和磁鋼間距8 mm左右，標志線沿磁鋼轉動方向。

提升容器位置監測器中的安全繼電器用于控制開車回路通斷，一旦監測超載、載荷差超限，上位機進行報警提示并通過安全繼電器切斷開車回路，控制提升機閉鎖。

提升容器位置監測器電路板如圖12所示。

3.5 通信裝置組成

    本系統涉及的通信裝置主要有無線傳輸模塊、RS485／RS232轉換器和串行通信擴展卡。

3.5.1 無線傳輸模塊

無線通信模塊選擇的小功率無線數傳模塊，該模塊采用全屏蔽設計，具有傳輸距離遠、窄帶抗干擾性強和接收靈敏度高等特點，實物如圖13所示。

其主要性能：

◆ 視距可靠傳輸距離可達2000m；
◆ 提供16個信道，如果用戶需要，可擴展到32信道；
◆ 數據收發轉換自動完成，只要向接口收/發數據即可，轉換時間短；
◆ 可用于點對點,點對多點,多點對點等多種通信組合方式；
◆ 數據透明傳輸，可傳輸較長的數據幀；
◆ 自動過濾掉空中產生的假數據，長期使用可靠性好，故障率極低；
◆ 功耗：功率500mw，接收電流<45mA，發射電流<360mA，休眠時電流<0.1mA；
◆ 供電：DC +4.5V~+5.5V；
◆ 溫度：-20℃~+65℃；
◆ 體積：63mm×43mm×15mm（不含天線座）；

3.5.2  RS485／RS232轉換器

RS485／RS232轉換器是一款特別適合工業應用的 RS232 到 RS485 和 RS422 的隔離轉換器，該產品內部采用了兩個 DC/DC 隔離電源模塊和高速光偶，實現了電源與 RS232 和 RS485/422 、 RS232 與 RS485/422 的全部隔離，供電電源采用了 9 ～ 40VDC 寬電壓輸入，不怕電源電壓抖動對通信的影響。 采用特有的無延時自動收發轉換技術和波特率自適應技術，即插即用適合所有軟件，并且在不發送數據的待機狀態時輸出為高阻態，支持多點通信，有別于市售的其它同類廉價產品。本產品內置防靜電抗雷擊電路，獨具電源和收、發指示燈，外形為標準導軌安裝的工業結構，如圖14所示。  

3.5.3 串行通信擴展卡

由于本系統采用多串口通信，因此選用PCI串行通信擴展卡，實物如圖15所示。

該串行通信擴展卡具有以下優點：

（1）即插即用、自動分配 IRQ 和 I/O 地址
（2）無開關無跳線，利用軟件輕松設置
（3）32位總線設計, 支持PCI 2.1 規范
（4）采用WCH351L芯片

（5）一臺機器可接多塊串口
（6）傳輸率可達1 Mbytes/sec

 

4 系統軟件開發設計

本系統軟件包括張力數據采集發射器程序、提升容器位置監測器程序和LabVIEW上位機程序，主要完成傳感器數據的采集、處理、通信、故障判斷和數據存儲等功能。各裝置程序功能分述如下：

(1)張力數據采集發射器程序：張力信號和供電電池電壓信號的采集發送。

(2) 提升容器位置監測器程序：提升容器平位信號和霍爾傳感器脈沖信號采集發送及安全繼電器的控制。

(3) LabVIEW上位機程序：信號的讀取、綜合處理、故障判斷、報警及數據存儲。

4.1 油壓數據采集發射裝置程序

張力數據的采集由張力數據采集發射器內的單片機ATmega16L驅動A/D轉換芯片TLC2543I進行，轉換結束后ATmega16L將轉換結果進行計算打包并發送到無線發射模塊，和上位機進行通信。

ATmega16L上電后對硬件進行初始化，然后循環等待上位機發送“數據發送命令”。當串口接收到數據后程序進入串口接收中斷服務子程序。確認接收到的數據為“數據發送命令”后，驅動TLC2543I連續5次循環采集各油壓傳感器信號和供電模塊的電壓信號。程序采用平均值濾波的算法，對連續采集的五次數據取平均值，得到要發送的采集信號并進行串口發送，發送完成退出中斷服務子程序。采用平均值濾波的算法可以去除在采集過程中隨機信號的干擾，從而使測量結果更加可靠。本程序之所以沒有采取循環采集油壓傳感器信號，等待串口接收中斷將采集數據發送至上位機的數據采集方法是為了節省供電電池電量，延長單次充電的電池使用周期。

以張力數據采集發射器A為例，向上位機發送的數據包結構如表1所示。

 

S	T	A	1號油壓值高位		1號油壓值低位		2號油壓值高位		2號油壓值低位
4號油壓值高位				4號油壓值低位		5號油壓值高位		5號油壓值低位		校驗值

表1 油壓數據采集發射裝置A數據包結構

 表中前3位“S”、“T”、“A”為數據包起始位，“A”代表A提升容器，4～11位為張力傳感器數據，高位在前，低位在后，第12位為校驗值，以供上位機檢驗該數據包在接收過程中是否產生錯誤。張力數據采集發射裝置程序采用異或運算的方法對校驗值以外所有位進行異或運算，運算結果即為發送的校驗值。上位機接收到數據包后對接收的數據包除校驗值以外所有位進行異或校驗，如果運算結果與接收到的校驗值一致，說明接收成功，否則認為接收錯誤，重新接收。

4.2 箕斗行程信號采集裝置程序

提升容器位置信號采集器以ATmega16L為核心，采集提升容器平位信號和霍爾傳感器脈沖信號，并和上位機進行通信將監測到的數據發送至上位機。此外，提升容器位置信號采集器根據上位機的指令控制繼電器閉合。其程序流程如圖16所示。

提升容器平位信號的頻率較低，采取查詢的方式即可實現。霍爾轉速傳感器脈沖信號最高頻率為100K Hz，采用查詢方式監測會造成丟幀現象，本程序通過計數器來實現霍爾傳感器脈沖信號的監測，脈沖電平的變化將觸發計數器的外部中斷，從而對脈沖個數進行加減操作。

提升容器位置監測器向上位機發送的數據包結構如表2所示。

表2 箕斗行程監測裝置數據包結構

S	X		C		箕斗A平位		箕斗B平位
脈沖數高位		脈沖數低位		轉動方向		校驗值

表中前3位“S”、“X”、“C”為數據包起始位，4～9位分別為箕斗A平位信號、箕斗B平位信號、霍爾傳感器脈沖數高位、霍爾傳感器脈沖數低位和滾筒轉動方向位，第9位為校驗值，以供上位機檢驗該數據包在接收過程中是否產生錯誤。箕斗行程監測裝置程序采取異或運算的方法對校驗值以外所有位進行異或運算，運算結果即為發送的校驗值。上位機接收到數據包后對接收的數據包除校驗值以外所有位進行異或校驗，如果運算結果與接收到的校驗值一致，說明接收成功，否則認為接收錯誤，重新接收。

4.3 上位機軟件整體設計

上位機軟件界面用于人機交互，要求監控界面具有良好的人機交互性。本軟件的監控界面主要有鋼絲繩張力監測界面和提升機振動監測畫面，畫面直觀顯示監測參數的變化情況及報警信息。鋼絲繩張力監測畫面如圖17所示。

 

 

圖17 鋼絲繩張力監測畫面

4.4 提升容器行程信號讀取及相關程序

4.4.1 提升容器行程信號讀取

上位機和下位機的通信通過LabVIEW VISA控件中的串口通信函數完成。上位機和提升容器監測器通信為應答式的通信方式，在讀取提升容器位置信號前上位機首先根據監測的報警情況判斷是否需要斷開安全繼電器。如果提升容器A、B中任何一個發生了超載故障，上位機將向提升容器位置監測器發送“斷開安全回路繼電器”命令“GTE”。如果沒有超載故障發生，上位機將向提升容器位置監測器發送“數據發送命令”“GTM”，提升容器位置監測器接收到命令后將提升容器位置數據發送至上位機，完成提升容器位置信號的通信，數據長度為通信協議約定的13字節。

4.4.2 箕斗行程動畫程序

為了使上位機人機界面形象，生動，本程序設計提升容器位置動畫來模擬提升容器的實際行程。上位機界面上虛擬天輪隨實際天輪的轉動轉動和停止，虛擬提升容器在界面上的相對位置將隨著實際提升容器在井中的位置變化而變化，虛擬天輪兩旁方形指示燈為提升容器到位信號指示燈。

4.5 鋼絲繩張力數據讀取及相關程序

4.5.1 鋼絲繩張力數據讀取

上位機和張力數據采集和發射器A、B的通信采用了兩個串口，分別連接到井口和井筒中的兩個無線接收模塊。它們之間采用應答式的通信方式，數據通信前上位機首先要根據提升容器A、B的行程信號判斷兩個接收裝置分別用于接收哪個提升容器的油壓數據，然后上位機通過與之相連的無線數據接收器分別向距離自己較近的張力數據采集器發送“數據發送命令”“GTA”和“GTB”，張力數據采集器接收到“數據發送命令”后將張力數據等打包發送，上位機延時等待接收，串口讀取字節長度均為通信協議約定的14字節。

4.5.2 鋼絲繩張力計算

多繩提升機鋼絲繩張力在線監測系統A/D轉換參考電壓V_REF為4.096 V，轉換精度為12位，設張力油壓傳感器輸出信號調理后電壓信號為V_IN ，轉換結果為ADC，則

 ADC=

張力油壓傳感器量程為0～60 MPa，輸出4～20 mA電流信號經過200 Ω精密電阻后對應電壓為0.8～4 V，設油壓油壓大小為P，單位MPa，則

將V_IN代入得

設平衡油缸截面積S=25.8 cm²，則鋼絲繩張力

       

4.5.3 鋼絲繩故障判斷

通過結合張力數據和提升容器信號，可以對提升超載、鋼絲繩張力不平衡、卸煤不凈及卡缸等故障進行監測。具體故障的判斷方法如下：

(1) 提升超載  提升容器停靠下平位并且空載時對載荷Q_xk進行記錄，裝載完成后的載荷Q_xm減去空載時的載荷Q_xk即為提升機裝載量，即

由于裝載過程中產生的沖擊力會導致Q_z大于實際裝載量，所以超載故障的監測從裝貨完成后開始。上位機在延時等待裝貨完成后對裝載量進行監測，若連續三次監測裝載量超過最大允許裝載量則認為提升機超載。

(2) 張力不平衡  假設各鋼絲繩繩實時張力依次為F₁、F₂、F₃、F₄，則張力不平衡度計算公式為

上位機若連續三次監測張力不平衡度值大于10%，則認為張力不平衡度超過規定值。

(3) 卸煤不凈  箕斗空載停在上平位時對載荷Q_sk進行記錄，滿載箕斗到達上平位延時5秒等待卸載完成后，用實時載荷Q_sx減去空載載荷Q_sk所得結果即為箕斗粘煤量，即

連續三次監測粘煤量超過規定值時認為卸煤不凈，當箕斗離開上平位時上位機不再對卸煤不凈故障進行監測。

(4) 卡缸  當鋼絲繩張力平衡裝置某個平衡液壓缸被卡住時，與該液壓缸相連鋼絲繩的張力便和其它鋼絲繩不平衡。卡缸故障發生時，被卡油缸內油壓不再發生變化。假設當提升容器位于井中不同深度段時，系統監測某張力油壓傳感器輸出值為Q₁₀₀、Q₂₀₀、Q₃₀₀，若三個油壓值之差絕對值均小于0.1 MPa，即得到 

則認為與該張力油壓傳感器相連的平衡油缸發生卡缸故障。

4.5.4 提升產量統計

煤礦現有產量統計方法是提升司機根據提升機總提升勾數和空載勾數計算得到提煤勾數，用提煤勾數乘以每勾煤的平均載重即得到當天煤的產量，以此統計煤的月、年產量。由于提升司機空載勾數記錄不準確和每斗煤的載重量存在偏差，現有煤的產量統計方法誤差較大。由于本監測系統能夠實時監測提升機實際裝載量和卸載量，所以上位機軟件可以根據每次卸載量對煤的產量進行準確自動統計。本系統可以對日、月、年的煤產量進行自動統計，統計方法如下:

(1) 日產量統計

上位機軟件對每次卸載量進行累加，并對工控機系統時間進行監測，當監測到一天時間結束后每次卸載量的累加和即為煤的日產量，并計入數據庫日產量表格內供用戶查詢和計算煤的月產量。

(2) 月產量統計

上位機軟件對煤的日產量進行記錄，并對工控機系統時間進行監測，當監測到日期字符串中月份發生變化即認為當月統計時間結束，將當月每天煤的產量從數據庫產量表格中讀出并累加和即為煤的月產量，并計入數據庫月產量表格內以供用戶查詢和計算煤的年產量。

 (3) 年產量統計

上位機軟件對煤的月產量進行記錄，并對工控機系統時間進行監測，當監測到日期字符串中年份發生變化即認為當年統計時間結束，將當年每月煤的產量從數據庫產量表格中讀出并累加和即為煤的年產量，并計入數據庫年產量表格內以供用戶查詢。

4.6 故障記錄與查詢

本系統利用LabVIEW用戶開發的免費LabVIEW數據庫訪問工具LabSQL。LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成。數據庫訪問，將復雜的低層ADO和SQL操作封裝成一系列的LabSOL VIs，簡單易用。

上位機數據庫使用微軟公司發布的并聯式數據庫管理系統Microsoft Office Access，上位機需首先手動創建數據庫并添加9個表格，分別為箕斗A報警數據、箕斗B報警數據、電動機報警數據、減速器報警數據、滾筒報警數據、天輪報警數據、歷史數據、產量數據及用戶數據。如圖18 所示，每個表根據內容要求手動創建字段并分配數據類型，例如提升容器A報警數據表格創建了故障類型、發生時間、1號繩張力、2號繩張力、3號繩張力、4號繩張力、總載荷和張力不平衡度9個字段，數據類型分別為文本、日期/時間、文本、文本、文本、文本、文本、文本。

數據庫創建完成后便可在上位機對數據庫進行各種操作了。為了增強程序的可讀性和模塊的可重用性，上位機程序創建了一個數據庫操作子函數程序。報警記錄數據庫的寫入操作程序，程序首先判斷當前發生了哪種故障，然后將故障類型、故障發生時間、各根鋼絲繩張力、鋼絲繩總載荷和鋼絲繩張力不平衡度通過子函數寫入數據庫故障記錄表格中。故障查詢程序，本程序可根據故障類型查詢故障記錄。圖21為故障類型設置為“張力不平衡”和超載時報警記錄查詢結果界面。

 

 

 

 

 

 

 

5 裝置的煤安證辦理情況

2011年11月24日在煤炭工業上海電氣防爆檢驗站已完成了防爆試驗；

因該裝置為新產品，安標國家中心于2012年7月27日，組織召開礦井提升機鋼絲繩張力監測產品安全技術論證會；

按照專家意見再次在煤炭工業上海電氣防爆檢驗站完成了防爆試驗。預計今年底能取到煤安證。

 

ZAJ-15S礦用本安型提升機鋼絲繩張力監測裝置無線接收器

本系統利用LabVIEW用戶開發的免費LabVIEW數據庫訪問工具LabSQL。LabSQL利用Microsoft ADO以及SQL語言來完成。數據庫訪問，將復雜的低層ADO和SQL操作封裝成一系列的LabSOL VIs，簡單易用。

上位機數據庫使用微軟公司發布的并聯式數據庫管理系統Microsoft Office Access，上位機需首先手動創建數據庫并添加9個表格，分別為箕斗A報警數據、箕斗B報警數據、電動機報警數據、減速器報警數據、滾筒報警數據、天輪報警數據、歷史數據、產量數據及用戶數據。如圖18 所示，每個表根據內容要求手動創建字段并分配數據類型，例如提升容器A報警數據表格創建了故障類型、發生時間、1號繩張力、2號繩張力、3號繩張力、4號繩張力、總載荷和張力不平衡度9個字段，數據類型分別為文本、日期/時間、文本、文本、文本、文本、文本、文本。

數據庫創建完成后便可在上位機對數據庫進行各種操作了。為了增強程序的可讀性和模塊的可重用性，上位機程序創建了一個數據庫操作子函數程序。報警記錄數據庫的寫入操作程序，程序首先判斷當前發生了哪種故障，然后將故障類型、故障發生時間、各根鋼絲繩張力、鋼絲繩總載荷和鋼絲繩張力不平衡度通過子函數寫入數據庫故障記錄表格中。故障查詢程序，本程序可根據故障類型查詢故障記錄。圖21為故障類型設置為“張力不平衡”和超載時報警記錄查詢結果界面。

 

 

 

 

 

 

 

5 裝置的煤安證辦理情況

2011年11月24日在煤炭工業上海電氣防爆檢驗站已完成了防爆試驗；

因該裝置為新產品，安標國家中心于2012年7月27日，組織召開礦井提升機鋼絲繩張力監測產品安全技術論證會；

按照專家意見再次在煤炭工業上海電氣防爆檢驗站完成了防爆試驗。預計今年底能取到煤安證。