邢彧

寧夏安標(biāo)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，寧夏銀川，750000

0 引言

煤礦提升裝置在煤礦開(kāi)采生產(chǎn)活動(dòng)中具有十分重要的作用，其中包括對(duì)作業(yè)人員、煤礦資源以及輔料等的運(yùn)輸傳送。欠載與超載現(xiàn)象都會(huì)對(duì)提升裝置運(yùn)行過(guò)程中的安全性能造成一定程度的影響，會(huì)嚴(yán)重威脅到礦產(chǎn)資源與工作人員的安全，對(duì)煤礦企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響。如果在立井提升時(shí)出現(xiàn)二次裝載、礦車(chē)掉道以及松繩卡罐等現(xiàn)象，都可能導(dǎo)致煤礦安全事故發(fā)生。因此，煤礦企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中必須重視礦用提升機(jī)的質(zhì)量與安全運(yùn)行，以此保障煤礦活動(dòng)順利安全進(jìn)行。

1 我國(guó)既往礦用提升機(jī)系統(tǒng)事故案例總結(jié)

1.1 山西大同礦煤集團(tuán)白洞礦

2005年9月，由山西省大同煤礦集團(tuán)負(fù)責(zé)開(kāi)采管理的白洞礦井發(fā)生了由提升機(jī)造成的煤礦安全事故。白洞礦主井的提升裝置2號(hào)箕斗在值班司機(jī)操作下提升到指定位置進(jìn)行卸煤作業(yè)，在卸煤過(guò)程中箕斗內(nèi)部的大矸石與其他雜物導(dǎo)致扇形閘門(mén)無(wú)法正常復(fù)位，從而導(dǎo)致箕斗卡在煤礦裝卸點(diǎn)。同時(shí)，井架信號(hào)人員并沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，依舊正常發(fā)送開(kāi)車(chē)信號(hào)，司機(jī)正常開(kāi)車(chē)后發(fā)生了松繩現(xiàn)象，松繩逐漸盤(pán)繞在卡點(diǎn)箕斗上方，箕斗內(nèi)部矸石與其他雜物在鋼絲繩的重力作用下塌落，進(jìn)而導(dǎo)致扇形閘門(mén)正常復(fù)位，箕斗裝置在礦井筒內(nèi)快速跌落，最終導(dǎo)致鋼絲繩裝置損毀斷裂，箕斗裝置跌落到礦井底部，造成了十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

1.2 山西大同礦煤集團(tuán)華宮礦

2006年1月，山西省大同煤礦集團(tuán)華宮礦發(fā)生了十分嚴(yán)重的由提升機(jī)引發(fā)的安全事故。華宮礦副井中，提升機(jī)司機(jī)聽(tīng)到向上緩慢提升裝置的信號(hào)后，正常操作提升機(jī)，但是絞車(chē)裝置發(fā)生了滾筒反轉(zhuǎn)問(wèn)題，且速度出現(xiàn)明顯加快現(xiàn)象，司機(jī)利用手閘手柄、腳踏緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)以及主令手柄歸零等操作，均無(wú)法正常制動(dòng)絞車(chē)裝置，最終發(fā)生了絞車(chē)過(guò)卷事故。該事故造成11人受傷，2人死亡。

2 礦用提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)起重機(jī)負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)控，我國(guó)煤礦多繩摩擦式起重機(jī)多數(shù)使用的是液壓張力自動(dòng)均衡機(jī)構(gòu)。《煤礦安全規(guī)程》要求：在任何一臺(tái)起重設(shè)備上，每一臺(tái)起重的鋼索與其負(fù)荷之間的差異應(yīng)大于其總負(fù)荷的百分之一。液壓式張緊機(jī)是一種半調(diào)壓的工作模式。為了解決目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，研制了一套用于多繩摩擦的礦井提升機(jī)監(jiān)控裝置。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

張力數(shù)據(jù)收集及無(wú)線傳送模塊為全套無(wú)線數(shù)據(jù)收集設(shè)備。利用MSP430微處理器對(duì)拉力信號(hào)進(jìn)行A/D變換，再由無(wú)線數(shù)據(jù)傳送到礦井下的數(shù)據(jù)。井底輸送界面是一個(gè)承載和傳遞的樞紐。由CAN總線將接收到的資料傳送至主站。通過(guò)CAN總線從井下接收各種資料，并對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，當(dāng)發(fā)生超載、不平衡或超速輸送時(shí)，通知有關(guān)部門(mén)進(jìn)行檢測(cè)，消除危險(xiǎn)。該軟件可以實(shí)時(shí)地記錄上一個(gè)月份的生產(chǎn)情況和當(dāng)日的生產(chǎn)情況。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)的采集裝置

該系統(tǒng)主要包括三大部件：感應(yīng)器、MSP430以及無(wú)線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用了MSP430型節(jié)能型微控制器，在硬件上實(shí)現(xiàn)了功耗的減少。在接近井口位置時(shí)，接收啟動(dòng)指令，啟動(dòng)系統(tǒng)，取樣回路完成A/D變換。在完成了變換之后，MSP430與無(wú)線模組均處于睡眠狀態(tài)，因此在算法上達(dá)到了最優(yōu)的能量節(jié)約。以MSP430為中心，設(shè)計(jì)了一種用于拉力獲取和無(wú)線傳送設(shè)備的總體方框圖，如圖2所示。

（1）MSP430微處理器是由一塊鋰電池驅(qū)動(dòng)的。其功能是通過(guò)從壓力傳感器獲取的仿真數(shù)據(jù)通過(guò)本身的A/D模組進(jìn)行變換，將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10比特的數(shù)據(jù)，通過(guò)SSM63B的串口發(fā)送到礦井下的數(shù)據(jù)傳輸。除了基準(zhǔn)電壓設(shè)置Ref+和Ref-外，MSP430G2553 I/O資源是很珍貴的。串口通訊的發(fā)射端口（引腳4：與無(wú)線電發(fā)射模塊相連的接收器）以及串口通訊（引腳3：用于與無(wú)線電發(fā)射組件相連的發(fā)射端口）所占據(jù)的這些引腳（引腳3、引腳4、引腳5、引腳6）不能作為A/D變換的入口，其余4個(gè)I/O端口用于A/D的輸出。從數(shù)據(jù)上來(lái)判斷，4個(gè)拉力傳感器，1個(gè)電壓，5個(gè)A/D輸出。這需要使用上述的可編程控制的選擇交換機(jī)來(lái)進(jìn)行。

（2）該傳感器還通過(guò)電池提供動(dòng)力，為了節(jié)省功率，可以通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)軟件來(lái)進(jìn)行收集或者停止收集。圖3為拉力傳感器的電力供應(yīng)終端的電路示意圖。由于該張力傳感器自身無(wú)切換功能，通過(guò)對(duì)拉力傳感器進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使用時(shí)開(kāi)而不需要時(shí)停止的目的?？傮w功率消耗減少。通過(guò)ADG884，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力敏感元件進(jìn)行切換。ADG884是由兩個(gè)單獨(dú)的軟件控制切換組成的低壓COMS晶片。ADG884的一個(gè)輸入AIN4_1（引線10）是一個(gè)拉力信號(hào)，該拉力信號(hào)通過(guò)一個(gè)電壓跟蹤器而被輸出；AIN4_2采用分壓的方法測(cè)量了鋰離子的電壓，最初的數(shù)值大約為2V，方便比較基準(zhǔn)的電壓和蓄電池的剩余電流，而低壓則是為了通知工作人員進(jìn)行替換。

D1末端（引線3）與該壓力換能器的供電末端相耦合，并可依據(jù)MSP430的單片機(jī)程序來(lái)決定D1端子的輸入量。IN1（引線4）與MSP430微處理機(jī)13引線相連，并對(duì)切換進(jìn)行控制；ADD3.6是一個(gè)直接為鋰離子提供電源的終端，它是D1的一個(gè)選項(xiàng)。在IN1的數(shù)值為0時(shí)，切換器在向拉力換能器提供電源的情況下，在D1末端的輸出數(shù)值為ADD3.6的電壓。在IN1是1的情況下，切換S1A（引線2）是0，這時(shí)向拉力換能器供電被關(guān)閉。表1顯示了ADG884的邏輯真值。

表1 ADG884邏輯真值表

（3）因?yàn)樵搨鞲衅鞯碾妷盒盘?hào)很弱，在MCU的I/O端口中，采用了一個(gè)電壓跟蹤裝置。由于電壓追隨器具有較大的輸入阻抗值和較低的阻抗值，因此可以將其視為一種阻抗變換的線路，從而能夠有效地改善原有線路的帶負(fù)荷性能。圖4為所述傳感器與所述電壓跟蹤器ADA5404的線路相耦合圖。ADA4505的動(dòng)力來(lái)源也是由一塊經(jīng)過(guò)電壓變化后的鋰電池提供的。ZL_IN1（引腳12）、ZL_IN2（引腳10）、ZL_IN3（引腳5）、ZL_IN4（引腳3）是由拉桿傳感器獲取的，然后被輸出到電壓跟蹤器中，通過(guò)放大器進(jìn)行放大，從而維持恒定的輸出，提高了皮帶負(fù)荷的容量。再將AIN1、AIN2、AIN3、AIN4_1輸入到MSP430微處理器A/D數(shù)據(jù)的模擬/數(shù)字信號(hào)的輸入。

2.2.2 井下傳輸接口設(shè)計(jì)

礦井通信系統(tǒng)的主要作用是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)CAN口傳送到主基站進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。它就像是一個(gè)橋梁，采用ARMCortex-M3作為單片機(jī)的NXPLPC1752。其特點(diǎn)是功率消耗小，集成程度高。LPC1752與MSP430采用1個(gè)SM63B無(wú)線通訊，完成對(duì)采集指令的傳輸和接收。LPC1752內(nèi)置CAN控制器，無(wú)需附加控制器，即可與CAN接收機(jī)進(jìn)行直接的聯(lián)接，從而使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。CAN通訊線路見(jiàn)圖5。本系統(tǒng)采用CTM8521T單片機(jī)，該單片機(jī)的作用是將 CAN控制器與CAN總線分開(kāi)，使CAN與CAN的電平相匹配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CAN的數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，該晶片還具備ESD保護(hù)電路。CTM8521T耐高壓絕緣，耐EMI。

3 礦用提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置的應(yīng)用

3.1 安裝運(yùn)行

將稱重傳感裝置安裝在提升機(jī)中的天輪帶座軸承下方，以便實(shí)時(shí)獲取天輪的具體載荷信息，并對(duì)稱重傳感裝置獲取到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與記錄，及時(shí)上傳至電控系統(tǒng)PLC中。將轉(zhuǎn)速傳感裝置安裝在提升機(jī)主軸，結(jié)合礦井筒實(shí)際深度與位置傳感器，能夠有效掌握提升容器在礦井內(nèi)實(shí)時(shí)位置的載荷數(shù)據(jù)[2]。提升容器在生產(chǎn)工作時(shí)能夠?qū)⒎Q重傳感裝置獲取的天輪載荷給定范圍數(shù)據(jù)傳送至PLC系統(tǒng)中。在提升機(jī)工作的過(guò)程中，如果實(shí)時(shí)載荷數(shù)據(jù)明顯超出給定范圍，則判斷為載荷異常現(xiàn)象，提升機(jī)中的安全保護(hù)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間進(jìn)行斷電保護(hù)與報(bào)警。

3.2 產(chǎn)品構(gòu)成

載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置主要包括提升機(jī)、鋼絲繩、提升容器、位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感裝置、稱重計(jì)算裝置、稱重傳感裝置以可編程控制裝置等。

3.3 功能總結(jié)

載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置能夠?qū)μ嵘龣C(jī)工作過(guò)程進(jìn)行全面系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)化記錄罐籠在礦井中的實(shí)時(shí)載荷信息，保障罐籠能夠正常安全提升。如果罐籠在提升過(guò)程中出現(xiàn)打滑、松繩、卡罐以及礦車(chē)掉道等現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠有效捕捉到載荷瞬間變化，從而將其判斷為載荷異?，F(xiàn)象，進(jìn)行報(bào)警后停止提升機(jī)運(yùn)行工作。

系統(tǒng)能夠?qū)愤\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如果箕斗出現(xiàn)超載、欠載、鋼絲繩打滑以及卡在卸載口等現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)起警報(bào)，以此保護(hù)提升機(jī)裝置的正常、安全運(yùn)行，進(jìn)而保障礦井作業(yè)安全。

如果載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)到箕斗卸載工作尚未完畢，則會(huì)對(duì)箕斗剩余煤量進(jìn)行精準(zhǔn)化測(cè)量，系統(tǒng)具有智能補(bǔ)償與人工補(bǔ)償兩項(xiàng)功能，以此確保因?yàn)槎窝b載所引發(fā)的超載現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)，有效保證了系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

3.4 應(yīng)用效果

在煤礦井下作業(yè)中應(yīng)用提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置大幅度提升了煤礦作業(yè)的安全性能，使相關(guān)人員能夠?qū)μ嵘龣C(jī)作業(yè)的全過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)全面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而降低安全事故的發(fā)生概率，使得提升機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)工作更加具有主動(dòng)性與高效性，大幅度加強(qiáng)了整體系統(tǒng)的運(yùn)行安全與工作效率。同時(shí)，載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置能夠有效防止提升裝置進(jìn)行超載作業(yè)，將提升機(jī)控制在安全穩(wěn)定的功率內(nèi)運(yùn)行，對(duì)煤礦工作人員的生命財(cái)產(chǎn)起到了有效的保護(hù)作用，進(jìn)而提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)煤礦行業(yè)的穩(wěn)定和諧發(fā)展[3]。

4 礦用提升機(jī)載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置應(yīng)用的保障措施

4.1 加強(qiáng)制動(dòng)裝置的安全管理

礦用提升裝置中最為重要的安全保護(hù)裝置就是制動(dòng)裝置，在針對(duì)制動(dòng)裝置進(jìn)行管理控制的過(guò)程中，煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)設(shè)置高水平的專業(yè)人才進(jìn)行管理，以此有效把握制動(dòng)裝置。為保障提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的科學(xué)性與專業(yè)性，管理人員需要實(shí)時(shí)監(jiān)管制動(dòng)裝置運(yùn)行狀態(tài)，保證保險(xiǎn)閘與常用閘裝置能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。煤礦企業(yè)應(yīng)當(dāng)對(duì)提升機(jī)安全管理人員定期開(kāi)展培訓(xùn)強(qiáng)化活動(dòng)，聘請(qǐng)專家與行業(yè)優(yōu)秀人士進(jìn)行講解教授，從而提升有關(guān)人員的專業(yè)素養(yǎng)與綜合能力，降低制動(dòng)裝置事故發(fā)生概率，確保高效控制提升機(jī)作業(yè)，保障煤礦井下作業(yè)的設(shè)備安全與人員安全。除此之外，還需要對(duì)保險(xiǎn)閘與常用閘定期開(kāi)展分連工作，確保裝置間的關(guān)聯(lián)性能，防止一個(gè)閘門(mén)發(fā)生故障時(shí)會(huì)對(duì)另一個(gè)閘門(mén)造成直接的影響。分連工作能夠強(qiáng)化制動(dòng)裝置的利用率，同時(shí)大幅度加強(qiáng)提升機(jī)作業(yè)的安全性。為確保提升制動(dòng)裝置能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，煤礦企業(yè)可以積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，將其靈活應(yīng)用到提升機(jī)安全裝置中，以確保裝置設(shè)備的安全性與先進(jìn)性，如可以利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)閘瓦式制動(dòng)裝置等。

4.2 科學(xué)改裝設(shè)置防過(guò)卷裝置

防過(guò)卷裝置在實(shí)際應(yīng)用中具有一定程度的科學(xué)性、專業(yè)性、靈活性特點(diǎn)，能夠防止過(guò)卷現(xiàn)象發(fā)生。為進(jìn)一步提升防過(guò)卷裝置的運(yùn)行效果，可以在原有防過(guò)卷裝置上進(jìn)行利用科學(xué)手段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可以轉(zhuǎn)變提升容器在提升機(jī)中的點(diǎn)位，從而有效加強(qiáng)防過(guò)卷裝置的實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量，為提升機(jī)正常運(yùn)行提升安全保障。通常情況下，提升機(jī)的最終停止點(diǎn)位必須嚴(yán)格依據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)定[4]。但是在實(shí)際煤礦作業(yè)的過(guò)程中，為保障防過(guò)卷裝置的科學(xué)合理性與提升機(jī)的運(yùn)行效率，可以依據(jù)實(shí)際情況將提升容器高度提升0.5m左右，從而保障提升機(jī)防過(guò)卷裝置的實(shí)際工作效率，降低防過(guò)卷裝置出現(xiàn)失效失靈等問(wèn)題的概率。除此之外，防過(guò)卷裝置在還可以靈活運(yùn)用在保險(xiǎn)閘的制動(dòng)功能中。科學(xué)合理地運(yùn)用防過(guò)卷裝置能夠有效加強(qiáng)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率與作業(yè)安全，大幅度降低安全事故的發(fā)生概率，保障了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與企業(yè)職員的生命財(cái)產(chǎn)。

4.3 提高提升機(jī)機(jī)房管理力度

礦用提升機(jī)的控制機(jī)房是對(duì)提升裝置進(jìn)行系統(tǒng)控制與管理的中心，為保障提升機(jī)裝置能夠安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，煤礦企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)控制機(jī)房的安全管理力度。首先，企業(yè)需要重視機(jī)房?jī)?nèi)部的安全消防系統(tǒng)，確保滅火器、消防沙袋以及相關(guān)消防器材的充足，同時(shí)定期開(kāi)展質(zhì)量檢查工作，以確保消防系統(tǒng)的有效性與安全性，避免消防系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)控制機(jī)房正常穩(wěn)定運(yùn)行的影響。煤礦企業(yè)需要加強(qiáng)控制機(jī)房的日常管理工作，設(shè)置專業(yè)的管理人員進(jìn)行日常管理控制，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)部各項(xiàng)系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行全面的系統(tǒng)檢查，盡可能消除機(jī)房中存在的安全隱患，保證提升機(jī)控制系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行[5]。除此之外，企業(yè)需要加強(qiáng)提升機(jī)控制機(jī)房的安全保障措施，將機(jī)房安全職責(zé)具體落實(shí)到某一部門(mén)或個(gè)人，當(dāng)外來(lái)人員需要借用設(shè)施、開(kāi)展機(jī)床檢測(cè)等工作時(shí)必須進(jìn)行報(bào)備記錄，對(duì)借用人員、借用期限等信息詳細(xì)記錄，以保障相關(guān)設(shè)施的安全性。企業(yè)需要依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定與企業(yè)實(shí)際作業(yè)情況制定權(quán)威、科學(xué)的管理制度，在煤礦工作中必須嚴(yán)格制定管理制度，為提升機(jī)裝置的正常運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的制度保障。

5 結(jié)語(yǔ)

提升機(jī)裝置在煤礦井下作業(yè)中具有十分重要的作用，是運(yùn)輸煤礦資源、工作人員以及企業(yè)設(shè)施器械的重要工具，因此，煤礦企業(yè)在日常工作中必須加強(qiáng)提升機(jī)安全管理工作，以此保障提升機(jī)的運(yùn)行效率與工作人員的人身安全。煤礦企業(yè)可以利用載荷監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程的管理控制，通過(guò)稱重感應(yīng)器、位置感應(yīng)器以及數(shù)字編程系統(tǒng)等對(duì)提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行全面的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，從而加強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行效率與工作質(zhì)量，促進(jìn)煤礦行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。