三元中能煤矿提升机负载监测系统的优化研究

田晓罡

（三元中能煤业有限公司，山西 长治 046605）

引言

三元中能煤业提升机为多绳摩擦轮式提升机，其设计提升量为0.7 Mt/a，提升深度为451.38 m，提升机的井口轨道面标高为41.4 m，井下轨道面标高为-801.4 m，提升机的摩擦轮直径为3 500 mm、天轮直径为3 500 mm。提升机的核心部件为4条直径38 mm的钢丝绳，最大提升速度约为9.16 m/s，提升机的单次额定提升量为4.48 t。在提升机系统中采用了称重式的负载监测装置，在实践应用过程中由于提升机运行速度变动等因素，常常导致整个提升机负载称重出现±110 kg的变动量，而且负载变化的传递存在着较大的滞后性，导致提升机系统在运行过程中产生强烈的震动和冲击，摩擦轮处磨损严重，使用寿命仅为理论使用寿命的1/3，给提升机的安全稳定运行带来了严重的隐患。

针对以上问题，三元中能煤业机电科提出了一种新的矿井提升机负载监测系统，其采用了基于RISC微处理器（ARM）的快速数据处理系统[1]，实现了对提升机运行过程中负载的动态监控。根据实践应用表明，该负载监测系统能够实现±5 kg的提升量的监测，有效减轻了提升机运行过程中的震动、冲击，提升了使用寿命和安全性。目前，该系统已经在三元中能煤业得到了广泛的应用。

1 三元中能煤业提升机负载监测系统结构

针对三元中能煤业提升机的实际情况，结合矿井提升机的实际运行特性，决定在新的提升机负载监测系统中采用执行油缸工作压力变送监测方案[2]，即通过对执行油缸内工作压力的监控，判断提升机工作时的负载状态。由于执行油缸是被设置在提升机的钢丝绳和提升机构处，需要随着提升机的运行不断变化位置，因此在该负载监测系统的数据传输部分采用了无线数据传输，以确保监测数据传输的安全性。三元中能煤业的提升机载荷监控系统的整体结构如图1所示。

图1 提升机负载监测系统结构示意图

由图1可知，在三元中能煤业的提升机监测系统中共设置了两组监测传感器和监测数据发送器，传感器A被设置在钢丝绳和提升机构的执行油缸处，用于监控提升油缸内的工作压力，传感器B被设置在提升机下侧的称重机构处。工作时A、B两处的监测传感器分别对提升机的负载情况进行相关监测，并将监测结果传输到发送器内通过无线传输系统传递到井口处设置的接收器内，然后利用RS485信号将监测结果传递到地面上的控制中心，在控制中心内对二者的检测信息进行对比，只有二者监测数据均满足判断要求时，才能实现对监测结果的确定，可有效避免在提升过程中由于急停、速度转换冲击而导致的负载监测失真。为了提升对各类监测数据的分析速度和准确性，在地面控制中心内的数据处理单元采用了RISC微处理器（ARM）系统，此处理器稳定性高、可靠性好，能够满足大量数据的快速计算和分析需求。

2 提升机数据传输系统结构

由于三元中能煤业提升机监测系统的监测传感器均被设置在提升机上随着提升机运行，传统的有线数据传输系统无法满足新监测系统的数据动态监测和传输要求。因此，三元中能煤业机电科根据提升机的运行特性和监测传感器的安装位置要求，提出了采用无线数据传输的方案。为了解决提升通道狭窄、无线数据传输信号衰减量大的难题，经过大量的实践验证，通过在提升机上侧设置数据发生器，实现信息的发送，在井筒内侧每隔200 m设置一个信号接收和转换装置，通过数据增强的方式确保在整个提升过程中数据传输的连续性和可靠性，最终数据被传输到设置在井口位置的通讯转接板内，在此处将数据信号转换为符合RS485数据传输要求的信号，实现数据的远距离传输。在监控终端内设置有RS485转RS232数据转换模块，用于对不同数据信号的转换，满足终端数据分析需求，该监测系统的无线数据传输结构如图2所示。

图2 提升机负载监测无线传输方案

为了提升负载监测系统的运行经济性和平稳性，三元中能煤业机电科对多种无线数据发射模块的运行稳定性和功耗情况进行了对比分析，最终确定选用AS62-T30无线数据模块，此模块采用了LORA扩频技术，具有运行功耗低、信号强、发热量小的优点[3]，可确保无线信息传递的精确性。

3 传感器的选型

传感器是煤矿提升机负载监控系统的核心，其监控的准确性直接关系到监测系统能否安全稳定运行，因此需要确保传感器能够在高压、强震动冲击条件下运行的稳定性，同时还需要满足在煤矿井下的防爆安全等级需求。根据负载监测系统中传感器的使用环境，通过对十余种传感器运行情况的测定，最终选择了NS-P-I型传感器，此型传感器采用了IP67防护等级，防护安全性好，而且能够在不同环境中满足±0.01 MPa的监测精度需求[4]，完全满足提升机系统在运行过程中的重量连续性监测要求。

由于在提升机运行过程中需要监测系统能够准确判断自平衡油缸是否到位、提升机的封闭门是否关闭等，而各种传感器的类型极多，不同传感器所发出的传感信号不一致，在传输过程中会产生相互干扰和削弱，因此需要利用数字量隔离电路对不同的信号进行分类转换和传输。三元中能煤业所使用的数字量隔离电路为十六路光耦隔离电路（见图3），能够接受十六种传感器的传输信号并完成光耦电压匹配，可保证监控信号传输的精确性。

图3 光耦转换电路示意图

4 提升机负载监测系统的应用

三元中能煤业矿井提升机负载监测系统自投入使用以来，表现出了较高的运行平稳性，运行过程中对提升负载的监测精度达到了±5 kg以内，比原监测系统提升了22倍。负载监测精度的提升使提升机速度调节系统的运行稳定性得到了同步提升。据统计，优化后提升机在运行时的速度波动量比优化前降低了76.4%，极大地提升了运行过程中的平稳性，另外，由于减小了对提升机摩擦轮的冲击，显著降低了对摩擦轮的磨损，提升了摩擦轮的使用寿命和安全性。目前，该提升机负载监测系统已经在三元中能煤业的2座矿井得到了应用，取得了极好的应用效果。该提升机负载监测系统控制界面如图4所示。

图4 三元中能煤业提升机载荷检测界面示意图

5 结论

1）新的矿井提升机负载监测系统采用了基于RISC微处理器（ARM）的快速数据处理系统，实现了对提升机运行过程中负载的动态监控，稳定性高、可靠性好，能够满足大量数据的快速计算和分析需求。

2）新的矿井提升机负载监测系统数据通信单元采用了无线传输方案，满足了对提升负载连续动态监测的需求。通过数据增强的方式确保了数据在动态过程中传输的精确性和平稳性。

3）新的矿井提升机负载监测系统监测精度达到了±5 kg以内，比优化前提升了21倍，提升机在运行时的速度波动量比优化前降低了76.4%，极大地提升了运行过程的平稳性。