煤矿提升机装载监控系统设计.docx

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煤矿提升机装载监控系统设计

提升机监控系统的设计

摘要

矿井提升机是重要的矿山设备之一，它肩负着井上，井下联系的重要任务在整个矿井中占有非常重要的地位。

由此可见，解决提升机行程、速度监视问题，是防止提升机严重事故的关键。

但目前，国内矿山大多采用机械式装置监测提升机的提升速度和行程，但此类设备精度不高，可靠性差，维护量大，这些都与煤矿的安全形势和采矿业的发展不相适应。

因此，研制高精度的矿井提升机监控系统是迫在眉睫的课题。

本文从煤矿工业现场的实际情况出发，通过对矿井提升系统和矿井提升机监控系统功能的综合分析，提出了完整的设计方案。

在硬件与软件的设计上均采用了模块化结构，在硬件设计上系统采用了微控制器80C51作为主处理器，由信号输入与处理模块、CPU处理模块、按键显示模块、串行通讯模块和电源模块构成；软件采用单片机汇编语言编制，由主程序和若干个子程序构成。

设计中充分考虑到监控系统恶劣的使用环境，使整机性能稳定。

系统对各个传感器产生的脉冲信号进行采样，由主处理器进行计算、判断，结果送入显示。

当提升过程中出现超速等故障时，实现安全制动。

本文设计的矿井提升机监控系统能基本满足矿山生产的需要，达到了预想的效果，今后的任务是要在此基础上对系统进行完善。

关键词：

提升机状态监控速度保护

DESINGOFMONITORINGSYSTEMOFMINEHOIST

Abstract

Basedonthecoalindustrysituation，passingthecomprehensiveanalysistothefunctionoftheminehoistmonitoringsystem.

Itshowsthatrouteandspeedmonitoringisthekeytopreventingseriousaccidents.Atpresent，however，mostofthedomesticmoistusemechanicaldevicetoshowthecontainerpositionandvelocity，buttheaccuracyofsuchequipmentisnothigh，accidentsbecauseofthebadreliabilityoccurredfromtimetotime，allofthesedoesnotfitthedevelopmentandsafetyrequirementoftheminingindustry.Therefore，thedevelopmentofpreciseminehoistmonitoringsystemisanurgentissue.

Theminehoistisoneoftheimportantminingequipments，ittaketheresponsibilitytocontactthegroundandthebottomofthemine.Theminehoistsystemhascomplexstructure、largeinertialmass、highspeed，andtheworkconditionusuallyconvertsalternately，soitishardtocontrolit.Theminehoisthavesomeprotectionmeasure，soastopromotesthereliabilityofthemachine，peoplehavemademanyimprovementsinmachine，electronics，maintenance，management，etc.Butthebadenvironmentconditionincludingdust，waterandwhereaboutsweightshitresultinthedamageofvariousmachinesparepartsandtheelectricitycomponent，andthemistakesoftheoperationandresearchlimitationoftravelmonitoringsystem，maketheexistingprotectioncan’tmeetexpectation，thatiswhytheaccidentoftheminehoistsystemhaveoccurredfromtimetotime.Oncethehoistrouteoutofcontrol，notinaccordancewithagivenvelocitycurves，itwillresultinoverspeedandoverwindaccident，maycausedamagetothemine'snormalproduction，evenmakeropefellcontinuouslyanddodamagetocontainerscrashesandmechanicalandelectricalequipment，causingheavycasualtiesandequipmentaccidents.Thishascausedgreateconomiclossestocoalproduction.

Thedesignoftheminehoistmonitoringsystemcanmeetthebasicneedsofmineproduction.Thisstudyingexperiencewillbethebasisforimprovingthesystem，addadditionalmonitoringfunctions.

Keywords：

minehoist；statemonitoring；speedprotection；

1绪论

1.1选题背景及意义

煤炭资源作为一种主要能源，在国民经济中起着非常重要的作用。

近年来，煤炭的价格持续庵升，形成大力开采之势。

与此同时，矿井事故也频繁发生，经济损失巨大，人员伤亡事故非常惨痛。

煤矿安全日益成为重中之重，急待加强。

矿井提升机作为采矿业的大型机电设备，是煤矿大型设备“四大件”之一，担负提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的重要任务，素有“矿井咽喉”之称，是沟通矿井地面与井下的运输设备，在整个矿井中占有非常重要的地位，它的工作状态关系到整个矿井的安全生产，多年来发生的提升事故证明，现有的技术装备不能满足提升机安全运转的需要[1]。

我国的交流提升机电控设备，几乎全部采用的是早期前苏联的KKX和我国自己研制的TKD系统。

这些电控设备的共同特征就是采用继电器－接触器电路组成的含有触点的控制方式，而且配有由磁放大器、自整角机、测速发电机等组成的速度控制环节，共同组成整个电控系统[2]。

由于它接线繁琐，逻辑复杂，控制器件维护量大，系统故障率高，使用和维护难度大，安全可靠性差等原因，直接影响了矿山的安全生产和提升效率。

提升机作为人员、设备和材料上下的运载工具，安全性对于它至关重要，最主要的就是保障人身安全，其次是保障设备安全，从而延长设备使用寿命，对于一个矿山企业来说这是保障生产的根本。

因此提升机功能的强弱和性能的优劣，将直接关系到企业的产量和效益。

作为一个机电控制系统来说，影响矿井提升机功能和性能的因素很多，如机械结构、控制方案等。

随着机电一体化技术的发展，以微电子为基础的监控系统越来越成为机电控制系统的核心。

一个先进可靠的监控系统可以提高矿井提升机的自动化程度、控制性能及安全可靠性，是矿井提升机安全高效运行的保证，也是矿山企业进一步发展的前提，且极大的提高了企业的效益。

矿山企业对矿井提升机功能和性能要求的不断提高，决定了研究和改造矿井提升机监控系统的重要意义，同时也体现了本课题研究的意义。

提升机的实时监测一直是提升技术的重要课题之一。

当前，许多煤矿都未设置提升机的监控系统，国内外已有的监控系统大多数是对整个矿山的大型监控系统。

国外研制的监控系统稳定性虽好，但价格过高，对于中小煤矿来说是难以承受的；国内研制的针对提升机的监控系统抗干扰能力差，性能不稳定，而且已开发的专家系统大部分仍工作在DOS环境下，人机界面不友好，功能不完善，可扩展能力不强，系统一旦建立，修改起来具有相当的难度。

当前，在以PC机为基础的测控软件中，随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。

因此选基于LabVIEW的矿井提升机监控系统有很好的应用前景[3]。

基于LabVIEW的提升机监控系统，能迅速地建立一个功能强大、性能稳定的监控系统，并且工作在windows系统下，界面直观形象。

开发人员只需要理解各个图标的表示功能，在程序开发中只需要用连线连接各功能模块就能完成所需要的软件功能。

该系统同时支持模块化与层次化设计，搭建程序非常清晰、可读，维护起来简单方便。

不仅如此，LabVIEW也有很好的开放性和扩展性，使系统功能的扩展和完善变得非常容易。

当前，我国有一大批老提升设备、机组，其服役已接近或超过其寿命期，进入“损耗故障期”，故障率增多，而要全部更新，经济负担很重，根本不可能。

如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态，除了在设计计算时合理选择运行参数外，关键在于对其进行状态监控。

对提升机运行的主要参数进行连续不断的在线监测监控，使司乘人员随时了解提升机的运行情况，并在超限时做出故障报警，供司乘人员操作时参考。

如提升机过速而造成的过卷、过放现象，制动器闸瓦的磨损，制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。

通过对提升机各主要参数的监测监控，可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处理，可以大大减少事故的发生。

因此，开发一套简单适用的计算机监控系统是非常必要的。

1.2国内外发展状况

鉴于矿井提升机在煤矿的重要作用，国内外对矿井提升系统的工况监测主要有：

提升运行状态的监测；液压制动系统的监测；钢丝绳的监测：

电动机及传动部分的监测等。

（1）运行状态监测主要包括：

提升方向、提升高度、提升速度、提升加/减速度、相对滑动距离，根据提升高度的变化和运行时间，可以计算出提升速度，根据提升速度的变化和运行时间，可计算出加/减速度。

系统需要采集的信号为开停车信号、提升高度信号及相对滑速等。

（2）液压制动系统的监测：

对液压系统的监测有制动盘偏摆度、空动时间、闸瓦开贴闸油压、液压站残压、闸瓦间隙和液压油温监测等。

采用油压传感器、电涡流位移传感器构成制动器的监测系统，油压传感器安装在液压站的总液压回路中，电涡流位移传感器可实现空动时间和闸瓦间隙的检测。

（3）钢丝绳的监测主要有：

钢丝绳张力的检测，断丝检测、钢丝绳绳径的检测、钢丝绳润滑的检测。

监测的主要方法采用磁监测法。

（4）电动机及传动部分监测内容有：

工作电压、电流监测，减速器各轴瓦温度、主轴轴瓦温度监测，电动机负荷瓦、反负荷瓦、电机定子铁芯温度监测，减速器油压、油温、油质监测，振动监测。

电流和电压的测量一般采用交流电压隔离传感器。

其它项主要包括电控系统的状态监测，及各种监测设备的自检，一般由传感器直接读取，或者由人工定期测量。

国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，在提升机状态监护方面水平较高，提升机大多采用双套保护装置发展，即在原有的基础上再增加一套微机监控装置。

目前，随着信息数字化、控制智能化的发展，国外的提升设备监控系统的功能和自动化程度有较大提高。

特别是对闸控和速度监控系统等重要保护环节，设计更加合理，有些环节设置双重保护，如过速保护，过卷保护等，这些保护措施，对提升机的运行安全都是可靠的保证。

我国有一些大型矿井引进了国外的提升系统，其监控系统稳定性虽好，但由于国外公司都有技术保密制度，其核心技术（如程序等）无法掌握，在使用，维护和零配件的供应上都受到限制[4]。

而对于大多数的中小型的矿井来说，其系统高昂的价格也难以承受。

而国内针对提升机研制的监控系统与国外相比，其抗干扰能力差，性能不稳定，而且在开发测试系统的软硬件方面需花费相当的人力和时间，并且功能不完善，可扩展能力差等等，关系到矿井的安全生产和矿工的生命安全。

1.3课题主要内容

本论文分六章进行论述，第一章绪论，主要论述选题背景、意义、国内外发展状况以及课题主要内容；第二章是提升机系统介绍，主要介绍提升机机构组成及工作原理；第三章和第四章是监控系统的硬件选型、监控系统的软件设计，硬件选型和软件设计是提升机监控系统的关键，系统软件设计包括信号的采集、处理等。

系统需要完成模拟信号、数字信号和脉冲信号的实时采集及处理，以及对各参数的动态显示和模拟仪表显示，通过将实际运行参数与系统各参数保护设定值进行比较，作为报警和控制的依据；第五章论述提升机监控系统在实际工作中的模拟；第六章是结论，主要对监控系统工作状态的总结。

下面分章节进行论述。

2提升机系统介绍

2.1提升机系统组成

矿井提升设备的主要组成部分是：

提升容器，提升钢绳，提升机，天轮和井架以及装卸附属装置等。

常用的提升容器是罐笼和箕斗[5]。

如下图2-1所示为竖井单绳罐笼提升设备示意图。

重矿车在井底车场或中间中段车场被推入下方罐笼的同时，空矿车便正向井口车场被推入另一罐笼。

两条钢绳2的一端分别与井口和井底罐笼相连，另一端分别绕过天轮3引至提升机房，固定并以相反的方向缠绕在提升机1的卷筒上。

提升机运行时，这两个罐笼就沿着井筒做上下运动，以完成提升重矿车和下放空矿车的任务。

1、提升机2、提升钢绳3、天轮4、井架5、罐笼

图2-1竖井单缆罐笼提升设备示意图

2.2提升机的构成

2.2.1工作机构

主要是指主轴装置和主轴承等。

主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成[6]。

2.2.2制动系统

液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，是提升机最为关键也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行[7]。

提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止转动，图2-2是制动系统简图。

根据提升机的具体作业情况，制动装置的主要功能如下[8]：

（1）当提升机停车时，可靠地闸住提升机，保证任何情况下均不能够转动：

（2）当提升机减速或重载下放时，参与提升机速度控制，使提升机的运行状态不偏离预定要求，称为工作制动；

（3）当发生突然性事故或意外情况时，迅速且合乎安全要求地闸住提升机，避免事故的恶性扩大和发展，为安全制动；

（4）双滚筒提升机在更换水平、调节钢丝绳长度时，能够闸住提升机的游动滚筒并松开固定滚筒。

液压传动装置的作用是作为制动力的能源，控制制动器的动作。

即：

根据运行需要，分别实现工作制动和安全制动。

其功能为：

（1）作制动和安全制动时，制动力矩不得小于提升或下放载荷时最大力矩的3倍；

（2）当游动卷筒与主轴脱开时，制动系统作用在一个卷筒上的制动力矩应大于或等于空容器和钢丝绳重量之和在一个卷筒上所造成的静力矩的l.2倍；

（3）制动系统下放重物时的安全制动的减速度不小于1.5米/秒2，提升重物时减速度不得大于5米/秒；工作制动与安全制动不应同时重合，以免产生过大的制动力矩；安全制动时，制动器空行程时间不得大于0.5秒；

对于多绳磨擦式提升机，安全制动时的减速度不应使钢丝绳在主导轮磨擦衬垫上产生滑动。

提升机运行制动过程中经常会出现一些制动失效等故障，经分析总结存在原因有：

制动器闸瓦间隙过大或过小，过大造成制动力不足、制动时间过长、过小造成闸瓦磨损；闸盘温度过高，影响制动盘摩擦系数，从而影响制动力；制动器偏摆过大，致使闸瓦间隙过大或过小，严重影响制动效果；制动油压异常，油压过高易造成制动时间过长，残压过高易造成开闸延迟；回油路堵塞造成制动失灵。

图2-2制动系统简图

2.2.3机械传动系统

机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器[9]，如图2-3所示。

减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。

图2-3机械传动系统简图

2.2.4润滑系统

润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作，图2-4是矿井提升机润滑系统结构框图。

润滑系统必须与自动保护和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。

图2-4润滑系统结构框图

2.2.5观测和操纵系统

观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机装置[10]，如下图2-5所示。

深度指示器的作用是：

显示提升容器的运行位置；容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号；当提升机超速和过卷时，进行限速和过卷保护。

图2-5观测和操纵系统结构框图

2.2.6拖动控制和自动保护系统

拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统[11]。

如图2-6，矿井提升机自动保护系统的作用是：

在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动而实现对系统的保护。

自动保护系统一般是由PLC来控制，是提升机的第一道重要的安全保护装置。

图2-6自动保护系统简图

2.3提升机运行速度图

以非对称五阶段速度图为例，其曲线图如图2-2所示：

t1为加速时间，t2为匀速时间，t3为减速时间，t4为爬行时间，t5为制动停车时间。

根据最新《煤矿安全规程》第424条和426条规定，立井中用罐笼升降人员时的加速度和减速度不得超过0.75m/s2，，最大速度不得超过的0.5

（H为提升高度），且不得超过12m/s；立井升降物料时，提升容器的最大速度不得超过0.6

（H为提升高度）。

斜井提升容器的最大速度和最大加、减速度应符合下列要求：

①升降人员时的速度，不得超过6m/s，并不得超过人车设计的最大允许速度。

升降人员时的加速度和减速度，不得超过0.5m/s2。

②用矿车升降物料时，速度不得超过5m/s。

③用箕斗升降物料时，速度不得超过7m/s；当铺设固定道床并采用大于或等于38kg/m钢轨时，速度不得超过9m/s[12]。

为了保证提升机能够准确及平稳停车，对减速段的速度有所限制，V4=0.3-0.5米/秒。

在爬行阶段，为了减轻提升机对井架的冲击以及有利于准确停车，一般速度为0.4米/秒-0.5米/秒。

制动阶段的时间5t

1秒[12]。

图2-7非对称五阶段速度图

2.4提升机速度保护环节

2.4.1等速阶段超速报警保护

《煤矿安全规程》规定提升系统必须装设防过速装置：

当提升速度超过最大速度15%时，必须能自动断电，并能使保险闸发生作用[13]。

2.4.2减速阶段限速保护

当提升机进入到减速段后，其速度按如下函数规律变化：

（2-1）

式中

为提升机的额定速度；

为减速行程；

为减速阶段任一点的给定即时速度。

若提升机的即时速度

超过给定的速度

，即

—

>10%

时，减速段报警，《煤矿安全规程》规定提升装置必须装设减速功能保护装置：

当提升容器（或平衡锤）到达设计减速位置时，能示警并开始减速[13]。

2.4.3爬行阶段限速保护

提升装置必须装设限速装置：

提升速度超过3m/s的提升绞车必须装设限速装置，以保证提升容器（或平衡锤）到达终端位置时的速度不超过2m/s[13]。

2.4.4过卷保护

过卷保护是矿井提升机所有保护中的最后一道安全保护。

提升装置必须装设防过卷装置：

当提升容器超过正常终端停止位置（或出车平台）0.5m时，必须能自动断电，并能使保险闸发生制动作用[13]。

3系统硬件选型及设计

在工业控制中，单片机以其体积小、指令丰富、控制技术成熟、修改方便、开发周期短、适应性强等优点得到广泛的应用[14]。

硬件和软件设计是单片机系统的两个重要方面，本章主要论述该系统的硬件电路设计，本系统在硬件电路设计时主要从以下原则出发。

硬件电路设计与软件设计相结合以优化硬件电路。

一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。

用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。

但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本，因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。

可靠性及抗干扰设计。

根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址数据总线在电路板上受干扰的可能性就越小。

因此单片机应用系统的设计思想是在满足系统基本功能的情况下力争使用较少数量的芯片。

灵活的功能扩展。

通常情况下，一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。

功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成，功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。

3.1单片机测控系统概述及系统的总体设计

测控包含“测”与“控”两个过程，所谓测就是实时采集被控对象的物理量，诸如温度、压力、流量、速度和转速等。

这些量通常都是模拟量，即连续变化的物理量。

这里的连续具有双重意义：

第一是时间意义上的连续，二是数值意义上的连续，即量值本身连续变化。

模拟量不能直接送给单片机，必须通过模数转换把它们转换成数字信号，才能送给单片机处理。

所谓“控”就是把采集的数据经单片机计算、比较等处理后得出结论，以对被控对象实施校正控制。

但经单片机处理后得到的是数字量结果，而绝大多数控制执行部件所需的事模拟量。

因此，又需要通过数模转换将数字量转为模拟量[15]。

图3-1监控系统硬件构成图

3.2单片机选型

3.2.1单片机简介

单片机是集成在一个芯片上的计算机，它是计算机技术、大规模集成电路技术和控制技术的综合产物。

经过30多年的发展历史，单片机应用已经十分广泛和深入，所以可以豪不夸张地说，任何设备和产品的自动化、数字化和智能化都离不开单片机。

现在，凡是电脑控制的设备和产品，必有单片机嵌入其中。

这一切表明，单片机已成为人类生活中不可或缺的助手。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统[16]。

3.2.2单片机的特点

（1）单片机集成度高。

单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。

（2）系统结构简单，使用