矿用提升机载荷监测保护装置的应用

邢彧

宁夏安标检验认证有限公司，宁夏银川，750000

0 引言

煤矿提升装置在煤矿开采生产活动中具有十分重要的作用，其中包括对作业人员、煤矿资源以及辅料等的运输传送。欠载与超载现象都会对提升装置运行过程中的安全性能造成一定程度的影响，会严重威胁到矿产资源与工作人员的安全，对煤矿企业造成严重的经济损失与社会影响。如果在立井提升时出现二次装载、矿车掉道以及松绳卡罐等现象，都可能导致煤矿安全事故发生。因此，煤矿企业在生产运营的过程中必须重视矿用提升机的质量与安全运行，以此保障煤矿活动顺利安全进行。

1 我国既往矿用提升机系统事故案例总结

1.1 山西大同矿煤集团白洞矿

2005年9月，由山西省大同煤矿集团负责开采管理的白洞矿井发生了由提升机造成的煤矿安全事故。白洞矿主井的提升装置2号箕斗在值班司机操作下提升到指定位置进行卸煤作业，在卸煤过程中箕斗内部的大矸石与其他杂物导致扇形闸门无法正常复位，从而导致箕斗卡在煤矿装卸点。同时，井架信号人员并没有及时发现这一现象，依旧正常发送开车信号，司机正常开车后发生了松绳现象，松绳逐渐盘绕在卡点箕斗上方，箕斗内部矸石与其他杂物在钢丝绳的重力作用下塌落，进而导致扇形闸门正常复位，箕斗装置在矿井筒内快速跌落，最终导致钢丝绳装置损毁断裂，箕斗装置跌落到矿井底部，造成了十分严重的经济损失[1]。

1.2 山西大同矿煤集团华宫矿

2006年1月，山西省大同煤矿集团华宫矿发生了十分严重的由提升机引发的安全事故。华宫矿副井中，提升机司机听到向上缓慢提升装置的信号后，正常操作提升机，但是绞车装置发生了滚筒反转问题，且速度出现明显加快现象，司机利用手闸手柄、脚踏紧急制动开关以及主令手柄归零等操作，均无法正常制动绞车装置，最终发生了绞车过卷事故。该事故造成11人受伤，2人死亡。

2 矿用提升机载荷监测系统设计

2.1 整体设计

为了达到对起重机负载的实时监控，我国煤矿多绳摩擦式起重机多数使用的是液压张力自动均衡机构。《煤矿安全规程》要求：在任何一台起重设备上，每一台起重的钢索与其负荷之间的差异应大于其总负荷的百分之一。液压式张紧机是一种半调压的工作模式。为了解决目前国内和国际上起重机监控系统存在的问题，研制了一套用于多绳摩擦的矿井提升机监控装置。整个体系结构见图1。

张力数据收集及无线传送模块为全套无线数据收集设备。利用MSP430微处理器对拉力信号进行A/D变换，再由无线数据传送到矿井下的数据。井底输送界面是一个承载和传递的枢纽。由CAN总线将接收到的资料传送至主站。通过CAN总线从井下接收各种资料，并对其进行分析和计算，当发生超载、不平衡或超速输送时，通知有关部门进行检测，消除危险。该软件可以实时地记录上一个月份的生产情况和当日的生产情况。

2.2 硬件设计

2.2.1 无线数据的采集装置

该系统主要包括三大部件：感应器、MSP430以及无线通信系统。该系统选用了MSP430型节能型微控制器，在硬件上实现了功耗的减少。在接近井口位置时，接收启动指令，启动系统，取样回路完成A/D变换。在完成了变换之后，MSP430与无线模组均处于睡眠状态，因此在算法上达到了最优的能量节约。以MSP430为中心，设计了一种用于拉力获取和无线传送设备的总体方框图，如图2所示。

（1）MSP430微处理器是由一块锂电池驱动的。其功能是通过从压力传感器获取的仿真数据通过本身的A/D模组进行变换，将仿真数据转化为10比特的数据，通过SSM63B的串口发送到矿井下的数据传输。除了基准电压设置Ref+和Ref-外，MSP430G2553 I/O资源是很珍贵的。串口通讯的发射端口（引脚4：与无线电发射模块相连的接收器）以及串口通讯（引脚3：用于与无线电发射组件相连的发射端口）所占据的这些引脚（引脚3、引脚4、引脚5、引脚6）不能作为A/D变换的入口，其余4个I/O端口用于A/D的输出。从数据上来判断，4个拉力传感器，1个电压，5个A/D输出。这需要使用上述的可编程控制的选择交换机来进行。

（2）该传感器还通过电池提供动力，为了节省功率，可以通过一个系统软件来进行收集或者停止收集。图3为拉力传感器的电力供应终端的电路示意图。由于该张力传感器自身无切换功能，通过对拉力传感器进行功率的调节，从而达到使用时开而不需要时停止的目的。总体功率消耗减少。通过ADG884，实现了对压力敏感元件进行切换。ADG884是由两个单独的软件控制切换组成的低压COMS晶片。ADG884的一个输入AIN4_1（引线10）是一个拉力信号，该拉力信号通过一个电压跟踪器而被输出；AIN4_2采用分压的方法测量了锂离子的电压，最初的数值大约为2V，方便比较基准的电压和蓄电池的剩余电流，而低压则是为了通知工作人员进行替换。

D1末端（引线3）与该压力换能器的供电末端相耦合，并可依据MSP430的单片机程序来决定D1端子的输入量。IN1（引线4）与MSP430微处理机13引线相连，并对切换进行控制；ADD3.6是一个直接为锂离子提供电源的终端，它是D1的一个选项。在IN1的数值为0时，切换器在向拉力换能器提供电源的情况下，在D1末端的输出数值为ADD3.6的电压。在IN1是1的情况下，切换S1A（引线2）是0，这时向拉力换能器供电被关闭。表1显示了ADG884的逻辑真值。

表1 ADG884逻辑真值表

（3）因为该传感器的电压信号很弱，在MCU的I/O端口中，采用了一个电压跟踪装置。由于电压追随器具有较大的输入阻抗值和较低的阻抗值，因此可以将其视为一种阻抗变换的线路，从而能够有效地改善原有线路的带负荷性能。图4为所述传感器与所述电压跟踪器ADA5404的线路相耦合图。ADA4505的动力来源也是由一块经过电压变化后的锂电池提供的。ZL_IN1（引脚12）、ZL_IN2（引脚10）、ZL_IN3（引脚5）、ZL_IN4（引脚3）是由拉杆传感器获取的，然后被输出到电压跟踪器中，通过放大器进行放大，从而维持恒定的输出，提高了皮带负荷的容量。再将AIN1、AIN2、AIN3、AIN4_1输入到MSP430微处理器A/D数据的模拟/数字信号的输入。

2.2.2 井下传输接口设计

矿井通信系统的主要作用是完成数据的转换，通过CAN口传送到主基站进行数据的处理。它就像是一个桥梁，采用ARMCortex-M3作为单片机的NXPLPC1752。其特点是功率消耗小，集成程度高。LPC1752与MSP430采用1个SM63B无线通讯，完成对采集指令的传输和接收。LPC1752内置CAN控制器，无需附加控制器，即可与CAN接收机进行直接的联接，从而使电路结构更加简单。CAN通讯线路见图5。本系统采用CTM8521T单片机，该单片机的作用是将 CAN控制器与CAN总线分开，使CAN与CAN的电平相匹配，实现了对CAN的数据的传输。同时，该晶片还具备ESD保护电路。CTM8521T耐高压绝缘，耐EMI。

3 矿用提升机载荷监测保护装置的应用

3.1 安装运行

将称重传感装置安装在提升机中的天轮带座轴承下方，以便实时获取天轮的具体载荷信息，并对称重传感装置获取到的信息数据进行显示与记录，及时上传至电控系统PLC中。将转速传感装置安装在提升机主轴，结合矿井筒实际深度与位置传感器，能够有效掌握提升容器在矿井内实时位置的载荷数据[2]。提升容器在生产工作时能够将称重传感装置获取的天轮载荷给定范围数据传送至PLC系统中。在提升机工作的过程中，如果实时载荷数据明显超出给定范围，则判断为载荷异常现象，提升机中的安全保护系统与报警系统会第一时间进行断电保护与报警。

3.2 产品构成

载荷监测保护装置主要包括提升机、钢丝绳、提升容器、位置传感器、转速传感装置、称重计算装置、称重传感装置以可编程控制装置等。

3.3 功能总结

载荷监测保护装置能够对提升机工作过程进行全面系统监测，精准化记录罐笼在矿井中的实时载荷信息，保障罐笼能够正常安全提升。如果罐笼在提升过程中出现打滑、松绳、卡罐以及矿车掉道等现象，系统能够有效捕捉到载荷瞬间变化，从而将其判断为载荷异常现象，进行报警后停止提升机运行工作。

系统能够对箕斗运行状态进行全程动态监测，如果箕斗出现超载、欠载、钢丝绳打滑以及卡在卸载口等现象，系统会立刻发起警报，以此保护提升机装置的正常、安全运行，进而保障矿井作业安全。

如果载荷监测保护装置监测到箕斗卸载工作尚未完毕，则会对箕斗剩余煤量进行精准化测量，系统具有智能补偿与人工补偿两项功能，以此确保因为二次装载所引发的超载现象不会出现，有效保证了系统稳定安全运行。

3.4 应用效果

在煤矿井下作业中应用提升机载荷监测保护装置大幅度提升了煤矿作业的安全性能，使相关人员能够对提升机作业的全过程进行系统全面的动态监测，从而降低安全事故的发生概率，使得提升机系统的保护工作更加具有主动性与高效性，大幅度加强了整体系统的运行安全与工作效率。同时，载荷监测保护装置能够有效防止提升装置进行超载作业，将提升机控制在安全稳定的功率内运行，对煤矿工作人员的生命财产起到了有效的保护作用，进而提升煤矿企业的经济效益，促进煤矿行业的稳定和谐发展[3]。

4 矿用提升机载荷监测保护装置应用的保障措施

4.1 加强制动装置的安全管理

矿用提升装置中最为重要的安全保护装置就是制动装置，在针对制动装置进行管理控制的过程中，煤矿企业应当设置高水平的专业人才进行管理，以此有效把握制动装置。为保障提升机运转工作的科学性与专业性，管理人员需要实时监管制动装置运行状态，保证保险闸与常用闸装置能够正常稳定运行。煤矿企业应当对提升机安全管理人员定期开展培训强化活动，聘请专家与行业优秀人士进行讲解教授，从而提升有关人员的专业素养与综合能力，降低制动装置事故发生概率，确保高效控制提升机作业，保障煤矿井下作业的设备安全与人员安全。除此之外，还需要对保险闸与常用闸定期开展分连工作，确保装置间的关联性能，防止一个闸门发生故障时会对另一个闸门造成直接的影响。分连工作能够强化制动装置的利用率，同时大幅度加强提升机作业的安全性。为确保提升制动装置能够安全稳定运行，煤矿企业可以积极引进先进技术，将其灵活应用到提升机安全装置中，以确保装置设备的安全性与先进性，如可以利用压缩空气驱动闸瓦式制动装置等。

4.2 科学改装设置防过卷装置

防过卷装置在实际应用中具有一定程度的科学性、专业性、灵活性特点，能够防止过卷现象发生。为进一步提升防过卷装置的运行效果，可以在原有防过卷装置上进行利用科学手段进行优化调整，可以转变提升容器在提升机中的点位，从而有效加强防过卷装置的实际运行质量，为提升机正常运行提升安全保障。通常情况下，提升机的最终停止点位必须严格依据我国行业标准规定设定[4]。但是在实际煤矿作业的过程中，为保障防过卷装置的科学合理性与提升机的运行效率，可以依据实际情况将提升容器高度提升0.5m左右，从而保障提升机防过卷装置的实际工作效率，降低防过卷装置出现失效失灵等问题的概率。除此之外，防过卷装置在还可以灵活运用在保险闸的制动功能中。科学合理地运用防过卷装置能够有效加强提升机的实际运行效率与作业安全，大幅度降低安全事故的发生概率，保障了企业的经济效益与企业职员的生命财产。

4.3 提高提升机机房管理力度

矿用提升机的控制机房是对提升装置进行系统控制与管理的中心，为保障提升机装置能够安全、高效、稳定运行，煤矿企业必须加强对控制机房的安全管理力度。首先，企业需要重视机房内部的安全消防系统，确保灭火器、消防沙袋以及相关消防器材的充足，同时定期开展质量检查工作，以确保消防系统的有效性与安全性，避免消防系统对提升机控制机房正常稳定运行的影响。煤矿企业需要加强控制机房的日常管理工作，设置专业的管理人员进行日常管理控制，对机房内部各项系统与基础设施等进行全面的系统检查，尽可能消除机房中存在的安全隐患，保证提升机控制系统能够正常稳定运行[5]。除此之外，企业需要加强提升机控制机房的安全保障措施，将机房安全职责具体落实到某一部门或个人，当外来人员需要借用设施、开展机床检测等工作时必须进行报备记录，对借用人员、借用期限等信息详细记录，以保障相关设施的安全性。企业需要依据国家相关规定与企业实际作业情况制定权威、科学的管理制度，在煤矿工作中必须严格制定管理制度，为提升机装置的正常运行提供坚实的制度保障。

5 结语

提升机装置在煤矿井下作业中具有十分重要的作用，是运输煤矿资源、工作人员以及企业设施器械的重要工具，因此，煤矿企业在日常工作中必须加强提升机安全管理工作，以此保障提升机的运行效率与工作人员的人身安全。煤矿企业可以利用载荷监测保护系统加强对提升机运行过程的管理控制，通过称重感应器、位置感应器以及数字编程系统等对提升机运转过程进行全面的系统监测，从而加强提升机运行效率与工作质量，促进煤矿行业的健康稳定发展。