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摘要：摩擦式提升机广泛应用于各立井煤矿主、副井提升系统，其提升钢丝绳普遍缺少载荷实时监测装置，无法有效监测提升过程钢丝绳的受力情况，不能及时发现钢丝绳受力不平衡或或载荷超限等异常现象，制约了钢丝绳的寿命和提升系统的安全可靠性。本文介绍了一种矿井提升机载荷动态监测装置，依托于传感器技术、无线传输通信技术及PLC控制技术，采用动态监测的方法对钢丝绳载荷信号进行采集、接收分析，作为矿井提升系统的重要辅助系统和保护系统，不仅解决上述问题，也符合矿山提升系统智能化、系统化建设要求。

关键词：提升机 载荷监测 PLC控制器

提升系统是矿井人员、物料上下井的咽喉要道，提升设备能否能安全可靠运行关系着全矿的安全生产。济宁二号煤矿副井装备两部JKMD-4×4（Z）多绳摩擦式提升机，落地式布置，主控系统均为ABB AC800M控制系统。虽然悬挂装置采用液压式张力自动平衡装置，但无法实时监测提升机每根钢丝绳的受力情况及罐笼载荷情况，不利于大型物件提升时的安全运行。本文介绍了一种矿井提升机载荷动态监测装置，用于跟踪监测提升机载荷，该装置通过悬挂装置油缸的压力监测提升载荷，可以对副井下放大件配重不足、钢丝绳张力不均、超载等情况进行诊断监测，并在需要时能够断开安全回路。项目应用于济宁二号煤矿副井单罐提升机，取得了良好的效果。

1 系统硬件构成及控制原理

1.1 系统构成

本方案应用的动态载荷实时监测装置主要由信号采集发射部分、接收装置信号处理与控制中心3部分组成：

（1）信号采集发射部分。主要功能是采集检测到的载荷信号，将信号以固定频率发射，此系统采用蓄电池供电。主要硬件包括压力变送器、采集电路板、发射模块、无线电天线及供电电源等;

（2）接收装置。主要功能是接受下位机发射的无线电信号，并解调为串行数据传输到监控中心。主要硬件包括接收天线、接收模块、串行通讯模块和工作电源等;

（3）信号处理与控制中心。主要功能是接收解调过的载荷信号，提取各种辅助判定信号，上位机软件对采集的数据进行分析判断并输出控制与显示信号。主要硬件包括串行通讯模块、开关量采集卡、工控机、指示面板和报警灯等。

1.2 工作原理

该套系统在每架多绳提升机钢丝绳张力平衡装置中安装测力装置，安装于提升容器连接装置的载荷传感器将钢丝绳悬挂装置油缸的载荷力转化为电信号，测出每根钢丝绳张力。在提升容器上安装张力数据采集器及无线发射模块，采用充电电池供电，将张力数据通过发射器采集并向井口发送，位于井口的接收器接收到信号后，通过RS485串口通信将其传送到车房上位机和井口的LED显示屏。安装于提升机操作间的地面控制柜对检测数据进行分析，并对是否存在故障和故障类型做出判断，并采取相应措施。同时在上井口设有通讯分站，可以实时显示罐笼载重、当前配置差及提升机位置。

1.3 数据抗干扰设计

当系统与PLC采用有线方式进行数据传输时，会出现一定的信号干扰，为保证数据的准确性，决定采用485串行通讯方式进行差分信号传输，以减少信号的干扰。为进一步增强其抗干扰能力，保护工控机安全，系统在无线模块与线缆的接口处增加了120欧的平衡电阻和磁环，有效降低了485信号在传输过程中的干扰和反射。设备内部安装了两个高速DC/DC光电耦合器和隔离电源模块，可将电源与所有RS485/422、RS232、RS232和RS485/422隔离，使得由于电压波动所所对数据传输带来的影响得到有效的降低。同时井筒传输引入和完善了无线射频技术，优化增强了无线传输设备的工作性能，井筒内无线信号有效传输距离大于1000m，在井筒复杂恶劣的工况环境下，利用无线射频技术确保无线电信号的顺利传送，做到不削弱、不失稳、不失真，信号的强度、稳定性、准确性满足设计要求。

1.4 信号采集模块构成及原理

监控装置的硬件核心是对提升钢丝绳电压值信号进行采集和传输的部分。信号的钢丝绳电压采集与传输部分主要由放大电路、AD转换器、数据采集与计算电路、数字调频器和信号传输模块组成。钢丝绳电压值信号由称重传感器采集，输出为弱电压信号。该信号被变换整形为AD转换器的输入转换器信号，AD转换器的输出为数字负载信号。通过对数字信号编码操作的数据进行处理，产生带有奇偶校验位的串行输出信号，然后对载波进行调制，产生高频调制波，信号传输模块将钢丝绳电压值发送给信号接收器模块。

为保证测量精度，监测装置测力弹性体进行信号实时采集，根据弹性体受力后电阻变化测算出钢丝绳的实际张力值，采用2个换向叉来实现方向变换和载荷测量，测力弹性体承受悬挂装置与容器之间的载荷，通过测力弹性体可以准确测量实时载荷值，测量精度高、可靠性高、安装方便。

2 系统软件构成及功能

2.1控制软件

该系统采用S7-200smart控制器作为主控系统，主控程序采用STEP 7-Micro/WIN SMART软件编写。该控制器为西门子推出的新型小型紧凑型控制器，控制器最大I/O点数可达60点，可扩展通讯口、数字通道和模拟通道，配备高速西门子处理器专用芯片和执行时间基准。指令可以达到0.15 μs。同时CPU模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通讯功能和串行通讯接口。STEP 7-Micro/WIN SMART是专为S7-200 SMART开发的编程软件，支持LAD、FBD、STL语言。完全满足本系统控制开发需求。

主控系统主要对AD转换器转换后的数字信号进行计算，并传送给数字频率调制器进行调制传输。监控设备一旦启动采购程序，就开始读取PLC控制器信号，采集串口通讯数据和中断信号，识别串口数据。当识别出一个串单元时，对信号进行分解调用传感器标定参数，完成对钢丝绳电压和负载值的计算并实时显示。当检测到放电或充电开关信号时，计算充电量的大小和放电量，并与设定的阈值进行比较，判断是否超过了限制。一旦超过限制，将通过PLC控制器输出控制量报警信号。并记录在误差表中，经过对超程值的综合分析，确定超程范围过大影响起重系统正常运行时，必须断开安全电路，直到危险消失。

提升容器在井底重载时拖索总张力与空载时承载绳总张力之差就是提升容器的载荷。如果负载超过最大允许值，系统会警告煤炭负载超过允许限制，并阻止电梯响应启动电路中的启动信号。应用于主轴提升机时，如果提升容器在卸货过程中超过最大允许值，系统会发出警告，提示滞煤质量已超过允许极限。应用于副轴时可保护次要功能。本系统对吊装各阶段的钢丝绳张力进行监测和分析，如果钢丝绳的张力小于最小允许值，系统会警告钢丝绳松动。同时，如果拖绳间的张力差大于最大允许值，则说明拖绳间受力不均严重，系统会警告显示拖绳间的张力差大于最大允许值。当发生错误告警时，系统会将告警时间、错误类型和错误数据上传到数据库中，供日后查阅。

2.1上位机软件

上位机软件采用组态王软件编写，并且创建监测结果的数据库， 以便对监测结果进行归档与查询。软件通过通信功能监测提升容器位置，绘制张力与位置变化曲线，实时监测张力数据并根据张力数据及到位信号，将控制器计算的提升容器的载重量和钢丝绳张力差、提升前监测载荷及载荷差实时显示，并在超载及载荷差超限时预警。将报警数据载入数据库以备查询。上位机软件具备的功能有：

（1）在提升作业全程实施提升载荷的在线监测，实时显示悬挂装置受力以反映当前提升载荷。

（2）实时监测电源箱的电量。

（3）在出现卡罐笼时进行报警，并能断开提升机的安全回路。

（4）副井下放大件出现配重不足时进行报警，并能断开提升机的安全回路。

（5）对诊断出的故障进行记忆，以备查询。

（6）具备自检功能：当出现电源装置电量不足、传感器失灵、通信不畅、控制柜断电故障时，监测装置应能提示系统处于故障状态，并指示出故障源。

2.2监测系统主要功能

（1） 起吊前监测过载和负载变化。如果超载或负载差超过限制，中断电梯安全电路，不允许电梯运行。对于主井，允许装载的煤上升到最大承载能力以下。副轴，乘客拥挤时的声音报警;吊运大件、超载或载重差超限时，称重散装重量并选择配重，避免载重差超限，若散装重量仍超过最大承载能力，为了进行提升工作，应提前做好相关措施。

（2） 在线监测性能压力差异，当监测数据超过限制时自动发出声音警报。井口安装LED显示屏，实时显示笼子工作过程中的承载能力和重量差。

（3） 为监控提升机的瞬时位置，提高无线信号传输质量，在井中和井口处安装了两个无线接收模块 排煤量数据，对当日的采煤量进行自动统计。

（4） 实时曲线映射、数据显示、动态图像浏览。根据用户提供的本地网络地址，在本地网络上共享监控系统界面，用户可根据需要输入具体地址，并对所需要的信息进行查询。

（5） 该系统对错误数据和历史数据进行即时数据搜索、声音警报、记录和搜索，并可以在数据库中根据错误的类型和时间进行搜索。

3应用效果及效益分析

3.1应用效果

该项目引用于济宁二号煤矿副井单罐提升机，安装以来运行效果良好，未发生任何使用故障。在现场实际应用中，提升系统动态载荷实时监测装置能够实时动态精确地监测各个提升钢丝绳的载荷变化情况，准确换算为提升容器的承载值，有效判定提升容器的装卸载情况，杜绝提升容器超载，尤其是大幅度超载事故的发生，切实提高矿井提升工作的可靠性和安全性;能够实时动态监测各个提升钢丝绳的载荷变化情况，掌握自动平衡悬挂装置的工作状态，避免提升钢丝绳受力不均引起个别钢丝绳的过载（失衡）破坏，及时发现提升钢丝绳的失衡故障和松绳故障，确保可以及时采取有效措施杜绝此类安全事故的发生，提高了矿井提升工作的安全性。截止目前，精确发出超载预警6次，均为小幅超载，精确发出悬挂装置失衡预警1次。

3.2效益分析

通过此系统的应用，可以杜绝提升容器超载问题，避免超载事故对提升设备的破坏，延长提升设备的使用寿命，同时可以及时发现和解决提升钢丝绳和张力自动平衡悬挂装置的失衡和松绳问题，避免该类事故对提升钢丝绳和张力平衡装置的破坏，延长相关设备的使用寿命。除了可以直接节约大量的设备购置费和维护费外，也可切实提高矿井提升工作的可靠性和安全性，具备很高的安全效益及经济效益。

4结论

本文介绍的装置应用于多绳摩擦提升机系统，可以实现实时精确动态监测作用在各个提升钢丝绳上的载荷值，引入和完善了无线射频技术，优化增强了无线传输设备的工作性能，井筒内无线信号有效传输距离大于1000m，能够实时清晰地显示提升钢丝绳的动态载荷值，按照预设的逻辑判断程序进行计算，及时对张力平衡悬挂装置失衡、钢丝绳松绳等故障报警，系统融合了先进的自动控整合技术，可靠性高、界面友好、功能完善，应用效果良好。

参考文献

[1]向小汉.S7-200 SMART PLC完全精通教程，机械工业出版社 2013

[2]郭霖 刘英林，提升机钢丝绳张力及超载监测系统的研究应用.《科技风》 2017（15）

[3]许涛.煤矿井下提升机载荷监测预警系统研究.《内蒙古煤炭经济》2019（3）

作者简介： 史凯（1986-），男，山东济宁，兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，工程师，区长，从事矿井机电自动控制系统的研究。