1.項(xiàng)目背景

斜井提升箕斗是礦山重要的礦石提運(yùn)設(shè)備，由于其有著重心較低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。因此斜井提升箕斗的安全可靠運(yùn)行也就直接關(guān)系到采礦安全生產(chǎn)是否能順利完成。其運(yùn)行過程中是否存在安全隱患也受到極大的關(guān)注。

斜井提升箕斗除了對提升電控系統(tǒng)有著很高的安全要求，同時對其本體設(shè)備的實(shí)際故障狀態(tài)監(jiān)測也有著十分高的要求。其中危害最為嚴(yán)重的便是斜井提升箕斗的脫軌跑車事故。引起該事故的原因主要有三個方面：提升機(jī)制動失效、提升鋼繩斷裂、插銷失效斷裂。提升鋼繩斷裂的因素往往有很多，比如鋼繩被外物損傷、鋼繩疲勞斷絲、鋼繩超負(fù)荷斷裂。鋼繩從斷絲到斷裂通常都會經(jīng)歷量到質(zhì)的變化，這可以通過日常的點(diǎn)檢進(jìn)行判斷，但鋼繩超負(fù)荷斷裂卻往往都具有突發(fā)性，不太容易預(yù)見性發(fā)現(xiàn)和檢測。

引起鋼繩超負(fù)荷的主要原因之一就是箕斗出現(xiàn)脫軌掉道故障，由于該故障無法檢測，因此當(dāng)箕斗脫軌后，提升機(jī)電控系統(tǒng)和操作人員均無法發(fā)現(xiàn)，無法及時停車，進(jìn)而引發(fā)更大的設(shè)備事故。

箕斗脫軌故障一旦發(fā)生，小則撞毀巷道內(nèi)的風(fēng)水管、電纜等相關(guān)設(shè)備設(shè)施，損壞箕斗，嚴(yán)重則引起提升鋼繩斷裂，進(jìn)而造成跑車事故，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員人身安全及裝礦站點(diǎn)的生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施。因此箕斗脫軌故障的檢測對于消除斜井提升箕斗的安全運(yùn)行隱患有著極其重要的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

因此如何從根本上檢測斜井箕斗脫軌掉道故障，對于提升機(jī)的安全運(yùn)行有著十分重大的意義。

2.功能概述

(1)斜井箕斗礦車提升防掉道監(jiān)測用于實(shí)時監(jiān)測礦車底盤與導(dǎo)軌的距離以及礦車的加速度傾角，以此來判斷礦車是否掉道。

(2)當(dāng)?shù)V車發(fā)生掉道，系統(tǒng)會立即發(fā)出聲光報(bào)警，并提供一路安全繼電器輸出，可在需要時串入提升機(jī)安全回路，觸發(fā)安全回路掉電，有效地避免了因脫軌跑車等原因引發(fā)的事故，保證了礦車運(yùn)行安全。

(3)本方案具有故障自檢功能，可對電池欠壓、傳感器故障、無線通信不暢等故障實(shí)時檢測報(bào)警。

(4)本方案具備歷史數(shù)據(jù)和故障信息存儲功能，可以在需要時查詢歷史數(shù)據(jù)及故障信息。

針對斜井箕斗在運(yùn)輸過程中易出現(xiàn)脫軌，設(shè)計(jì)了新型無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過安裝于礦車箕斗底部的接近開關(guān)可以實(shí)時監(jiān)測礦車與軌道的接觸狀態(tài)。在井口安裝到位傳感器，用來監(jiān)測箕斗的到位狀態(tài)。在滾筒上安裝霍爾元件通過計(jì)數(shù)滾筒所轉(zhuǎn)圈數(shù)間接知道礦車的行程。利用西門子CPU ST20將信息發(fā)送到井口接收裝置，采集及預(yù)處理到的數(shù)據(jù)通過無線模塊遠(yuǎn)距離發(fā)送至上位機(jī)的無線模塊接收端，接收端與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

其優(yōu)點(diǎn)為檢測裝置維護(hù)量小，在巷道內(nèi)無需復(fù)雜的布線，檢測響應(yīng)速度快，可在掉道第一時間報(bào)警并停機(jī)，自動檢測故障并保護(hù)，不增加操作人員勞動強(qiáng)度。

3.技術(shù)方案

金屬礦井環(huán)境地處偏遠(yuǎn)、復(fù)雜、環(huán)境惡劣的山下，對其監(jiān)測存在需要采集的數(shù)據(jù)量大、受監(jiān)測區(qū)域動態(tài)性變化加上傳統(tǒng)的有線弊端等限制，現(xiàn)有的有線通信方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能符合井下安全監(jiān)測的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)基于無線傳輸?shù)姆绞絹肀O(jiān)測外界環(huán)境，易部署，有低功耗，高容錯性，高靈活性和高自主性的優(yōu)點(diǎn)。

針對斜井箕斗宜實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測的特點(diǎn)和掉道現(xiàn)象以及對金屬礦安全監(jiān)測方面的不足，研究設(shè)計(jì)了無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物示意圖如圖2所示。

 

 

圖1 無線通信傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

 

圖2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)物示意圖

 

在礦山斜井當(dāng)中，由于受到多種不確定環(huán)境因素的影響，為了使信號方便接收并傳給上位機(jī)，將接收系統(tǒng)安裝于井口，無線通信模塊選擇RS485-Lora-M。RS485-Lora-M無線串口模塊是艾莫迅推出的一款體積小，微功率、低功耗、高性能遠(yuǎn)距離LORA無線串口模塊。模塊設(shè)計(jì)采用高效率的ISM頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片。該RS485-Lora-M無線串口模塊工作頻率410MHz，以1Mhz頻率為步進(jìn)信道，共32個信道，可通過AT指令在線修改串口速率，發(fā)射功率，空中速率、工作模式等各種參數(shù)，并且支持固件升級功能。

接近開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。霍爾開關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度(如B1)時，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出，和其他傳感器類似有NPN、PNP、常開型、常閉型、鎖存型(雙極性)、雙信號輸出之分。霍爾開關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。本方案選用型號為NJK-5002C的霍爾磁性傳感器，PBT感應(yīng)探頭，檢測距離8MM，內(nèi)置智能芯片，反應(yīng)靈敏，頻率響應(yīng)快，接通電源燈滅，檢測到磁鐵燈亮。

S7-200smartST20是種高性能，高集成，更簡約為客戶量身定制的一款高小型 PLC 產(chǎn)品。S7-200 SMART 帶來兩種不同類型的 CPU 模塊，標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型，全方位滿足不同行業(yè)、不同客戶、不同設(shè)備的各種需求。標(biāo)準(zhǔn)型作為可擴(kuò)展 CPU 模塊，可滿足對 I/O 規(guī)模有較大需求，邏輯控制較為復(fù)雜的應(yīng)用 ；而經(jīng)濟(jì)型 CPU 模塊直接通過單機(jī)本體滿足相對簡單的控制需求。

斜井提升防掉道監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)在于通過安裝于箕斗礦車車身上的位移傳感器、加速度傾角傳感器反饋的數(shù)據(jù)信息來判斷箕斗礦車的運(yùn)行狀態(tài)即是否掉道，通過到位傳感器（接近開關(guān)）判斷礦車的到位情況，利用霍爾元件來知道礦車的行程與位置。此項(xiàng)目所用到的箱體均要起到防水防爆的作用。

（2）軟件設(shè)計(jì)

 

 

圖3軟件設(shè)計(jì)流程圖