1.項目背景
斜井提升箕斗是礦山重要的礦石提運設備，由于其有著重心較低、運行穩定等優點，被廣泛應用。因此斜井提升箕斗的安全可靠運行也就直接關系到采礦安全生產是否能順利完成。其運行過程中是否存在安全隱患也受到極大的關注。
斜井提升箕斗除了對提升電控系統有著很高的安全要求，同時對其本體設備的實際故障狀態監測也有著十分高的要求。其中危害最為嚴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、鋼繩超負荷斷裂。鋼繩從斷絲到斷裂通常都會經歷量到質的變化，這可以通過日常的點檢進行判斷，但鋼繩超負荷斷裂卻往往都具有突發性，不太容易預見性發現和檢測。
引起鋼繩超負荷的主要原因之一就是箕斗出現脫軌掉道故障，由于該故障無法檢測，因此當箕斗脫軌后，提升機電控系統和操作人員均無法發現，無法及時停車，進而引發更大的設備事故。
箕斗脫軌故障一旦發生，小則撞毀巷道內的風水管、電纜等相關設備設施，損壞箕斗，嚴重則引起提升鋼繩斷裂，進而造成跑車事故，嚴重威脅井下作業人員人身安全及裝礦站點的生產設備實施。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行隱患有著極其重要的安全效益和經濟效益。
因此如何從根本上檢測斜井箕斗脫軌掉道故障，對于提升機的安全運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測用于實時監測礦車底盤與導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)當礦車發生掉道，系統會立即發出聲光報警，并提供一路安全繼電器輸出，可在需要時串入提升機安全回路，觸發安全回路掉電，有效地避免了因脫軌跑車等原因引發的事故，保證了礦車運行安全。
(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時檢測報警。
(4)本方案具備歷史數據和故障信息存儲功能，可以在需要時查詢歷史數據及故障信息。
針對斜井箕斗在運輸過程中易出現脫軌，設計了新型無線通信傳輸網絡系統。通過安裝于礦車箕斗底部的接近開關可以實時監測礦車與軌道的接觸狀態。在井口安裝到位傳感器，用來監測箕斗的到位狀態。在滾筒上安裝霍爾元件通過計數滾筒所轉圈數間接知道礦車的行程。利用西門子CPU ST20將信息發送到井口接收裝置，采集及預處理到的數據通過無線模塊遠距離發送至上位機的無線模塊接收端，接收端與上位機進行通訊。
其優點為檢測裝置維護量小，在巷道內無需復雜的布線，檢測響應速度快，可在掉道第一時間報警并停機，自動檢測故障并保護，不增加操作人員勞動強度。
3.技術方案
金屬礦井環境地處偏遠、復雜、環境惡劣的山下，對其監測存在需要采集的數據量大、受監測區域動態性變化加上傳統的有線弊端等限制，現有的有線通信方式遠遠不能符合井下安全監測的應用標準。無線通信傳輸網絡基于無線傳輸的方式來監測外界環境，易部署，有低功耗，高容錯性，高靈活性和高自主性的優點。
針對斜井箕斗宜實現自動化監測的特點和掉道現象以及對金屬礦安全監測方面的不足，研究設計了無線通信傳輸網絡系統，其結構框架如圖1所示，系統結構實物示意圖如圖2所示。
圖1 無線通信傳輸網絡系統結構框圖
圖2 系統結構實物示意圖
系統整體分為井口接收模塊、斜井箕斗數據采集模塊（發射模塊）和上位機模塊三部分。
(1)井口接收模塊作為各類數據采集的接收裝置，主要采集監測斜井箕斗位置的到位傳感器的開關量信息和滾筒的計數數據并負責將斜井箕斗數據采集模塊的信息通過西門子CPU ST20相連，采集及預處理到的數據通過無線模塊遠距離發送至上位機的無線模塊接收端，為了滿足一定的防爆與通信穩定性要求，將無線模塊接收端封裝到由鋼板焊接而成的箱體當中。
(2)斜井箕斗數據采集模塊將監測斜井箕斗與軌道的接近開關數據通過發射天線傳輸到井口接收箱中，利用接近開關測量箕斗小車的加速度與傾角信息也傳遞到無線模塊接收端，將測得的所有數據信息與地面上位機進行通信，
(3)上位機模塊在接收到各項數據后，上位機進行相關的數據運算與處理，當發生箕斗超載、未到位和處于掉道臨界狀態時，傳感器數據會發生急劇變化并通過上位機軟件進行報警并停機，通知檢查或負責人員進行處理，及時排除隱患。
本方案主要是通過位移傳感器與加速度傾角傳感器的信息量來判斷礦車是否掉道。將位移傳感器固定在礦車的底部，測量礦車與軌道的之間的距離，如果測量值超過警戒值，說明礦車掉道并發出報警。另外，通過LJA30M-60N1傳感器測量加速度與傾角的數據來進一步確定礦車是否發生掉道，如果這兩個參數也都超過了警戒值，將第一時間報警并停機，并將所存儲的數據發到上位機。
4.技術參數
（1）硬件設計
為保證惡劣環境下系統可靠運行，本項目選用安全、準確和強抗干擾的硬件設備，其具體技術指標如表1所示。
表1 硬件型號及其技術指標
在礦山斜井當中，由于受到多種不確定環境因素的影響，為了使信號方便接收并傳給上位機，將接收系統安裝于井口，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、高性能遠距離LORA無線串口模塊。模塊設計采用高效率的ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片。該RS485-Lora-M無線串口模塊工作頻率410MHz，以1Mhz頻率為步進信道，共32個信道，可通過AT指令在線修改串口速率，發射功率，空中速率、工作模式等各種參數，并且支持固件升級功能。
接近開關屬于有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業場合實際應用易操作和可靠性的要求?；魻栭_關的輸入端是以磁感應強度B來表征的，當B值達到一定的程度(如B1)時，霍爾開關內部的觸發器翻轉，霍爾開關的輸出電平狀態也隨之翻轉。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?；魻栭_關具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應頻率高等特點，內部采用環氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環境下可靠的工作。本方案選用型號為NJK-5002C的霍爾磁性傳感器，PBT感應探頭，檢測距離8MM，內置智能芯片，反應靈敏，頻率響應快，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 產品。S7-200 SMART 帶來兩種不同類型的 CPU 模塊，標準型和經濟型，全方位滿足不同行業、不同客戶、不同設備的各種需求。標準型作為可擴展 CPU 模塊，可滿足對 I/O 規模有較大需求，邏輯控制較為復雜的應用 ；而經濟型 CPU 模塊直接通過單機本體滿足相對簡單的控制需求。
斜井提升防掉道監測系統的重點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據信息來判斷箕斗礦車的運行狀態即是否掉道，通過到位傳感器（接近開關）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。此項目所用到的箱體均要起到防水防爆的作用。
（2）軟件設計
圖3軟件設計流程圖
5.方案優勢
由于提升機的運行區間往往長達幾百米近千米，如果采用人工檢測的話無法實現人員跟隨設備進行檢測，該方式無論從安全性和實施性均不具備條件，因此只能通過視頻進行檢測。但由于斜井提升箕斗很多安裝于出風井，巷道空氣質量極差，可視程度極低，在箕斗運行的區間布置攝像頭不但可視效果差，且布線復雜，維護量極大，同時對提升機操作人員要求極高，需不間斷的雙眼緊盯監控視頻，勞動強度太大。有線網絡布線改線工程量大。有線帶寬不斷的增加，換線工作將會無比艱巨。由于使用實體線，其線路容易損壞，一旦出錯將不得不換掉整條線，維護不易。而且網中的各節點不可移動。特別是當要把相離較遠的節點聯結起來時，敷設專用通訊線路布線施工難度之大，費用、耗時之多。
針對上述所存在的問題，本方案設計了無線信息傳感器傳輸網絡系統對斜井箕斗礦車進行監測。
此方案的優點有以下幾點：
（1）通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監測的精確度，大量冗余節點的存在使得系統有較強的容錯性。
（2）無需復雜的布線，檢測響應速度快，可在掉道第一時間報警。
（3）檢測裝置維護量小，低功耗、高容錯性，高靈活性和高自主性。
（4）成本低、范圍大、布設靈活、移動支持。
（5）采集的信息準確可靠，信息傳輸接口安全穩定，具有運行可靠、操作方便、可擴展性強、自動化程度高等特點，可以起到對礦車箕斗掉道的良好的監測作用。
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