矿井防堆煤磨损尾绳保护系统设计.pdf

第 44 卷 第 5 期 2018年 5 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0016-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017100019 矿并防堆煤磨损尾绳保护系统设计 王德堂S 李海伟S 王公华2 张运华12 孟祥如S 徐传洪1 1.山东科技大学机械电子工程学院，山 东 青 岛 266590; 2.兖矿集团有限公司兖州煤业股份有限公司，山 东 济 宁 272000 摘要针对传统防堆煤磨损尾绳保护装置存在检测范围小、、安装位置不易设置、、易误动作等问题，，设计了 一种基于二维激光雷达扫描技术和主动红外对射传感器技术的矿井防堆煤磨损尾绳保护系统。该系统采用 2 层保护系统结构， 当堆煤触及第1 层保护系统二维激光雷达扫描系统时， 其输出的测距信息发生变化 并上传至上位机， 上位机控制报警装置报警并启动第2 层保护系统主动红外对射传感器系统； 当堆煤煤 位继续增高， 触及主动红外对射传感器系统时， 其输出的电平信号发生变化并上传至上位机， 上位机控制提 升机电控系统使提升机停止运行， 防止堆煤煤位过高对尾绳造成磨损。现场测试结果验证了该系统的可靠 性及实用性。 关键词 矿井提升机 尾绳 堆煤 二维激光雷达扫描系统 主动红外对射传感器系统 中图分类号TD534. 6 文献标志码A 网络出版地址Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180418. 1337. 002. html Design of protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine WANG Detang1 , LIHaiwei1， WANG Gonghua2 , ZHANG Yunhua1’ 2， MENG Xiangru1，XU Chuanhong1 1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590, China; 2. Yanzhou Coal Mining Co. ’ Ltd. ’ Yankuang Group Co. ’ Ltd. ’ Jining 272000, China Abstract In view of problems o f small detection range， difficult installation position setting and easy misoperation existed in traditional protection devices for prevention of coal piling wearing tail rope， a protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine was designed based on two dimensional laser radar scanning technology and active infrared radiation sensor technology. The system adopts two layer protection system structure. When coal piling reaches the first layer protection system named two-dimensional laser radar scanning system， ranging ination output by the two-dimensional laser radar scanning system changes and is uploaded to upper computer. The upper computer controls alarm device and starts the second layer protection system named active infrared radiation sensor system. When coal piling level increases continuously to reach the active infrared radiation sensor system， level signal output by the active infrared radiation sensor system changes and is uploaded to the upper computer. The upper computer controls electric control system of hoist to stop hoist running， so as to prevent high 收稿日期收稿日期 2017-10-15;修回日期修回日期 2018-04-15;责任编辑责任编辑 盛男。 基金项目基金项目 山东省博士后基金资助项目（ 20173702012463。 作者筒介作者筒介王德堂（ 1970 ） ， 男 ， 山东部城人， 讲 师 ， 博 士 ， 研究方向为矿山机电智能化控制， E-mail wangdetaiig 163. com。通信作者 李海伟 1990 ） ， 男 ， 山东临C 人 ， 硕士研究生， 研究方向为机电液控制与自动化， E-maillhw5626163. com。 引用格式引用格式 王德堂， 李 海 伟 ， 王公华， 等 .矿 井 防 堆 煤 磨 损 尾 绳 保 护 系 统 设 计 工 矿 自 动 化 ， 2018， 4456-19. WANG DetangLI HaiweiWANG Gonghuaet al. Design of protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine [J]. Industry and Mine Automation，018，45 16-19. 2 0 1 8 年 第 5 期 王 德 堂 等 矿 井 防 堆 煤 磨 损 尾 绳 保 护 系 统 设 计 17 coal piling wearing tail rope. Field test results prove reliability and practicability of the system. Keywords mine hoist; tail rope; coal piling; two-dimensional laser radar scanning system; active infrared radiation sensor system 〇 引言 尾绳的主要作用是维持提升机的运行平衡， 在 矿井提升系统中占有非常重要的地位[1]。受提升机 设备结构特点的影响， 在装卸煤过程中， 势必会造成 一定的洒煤现象， 若洒煤得不到及时处理， 将逐渐堆 积形成堆煤， 且井上操作人员受井筒和井底尾绳分 绳架横梁的影响， 无法及时发现井底堆煤情况， 当堆 煤达到一定程度时会托起尾绳， 造成尾绳磨损或扭 结 ， 从而发生尾绳断股事故[23]。因此， 需采取相应 措施防止堆煤磨损尾绳。 传统防堆煤磨损尾绳保护装置一般分为机械推 移式[4]和电极式[5]2种 形 式 。这 2 种保护装置的工 作原理大体相同， 都是利用堆煤煤位的变化来间接 改变传感器输出电平， 通过分析电平的变化量， 上位 机控制提升系统做出相应的动作。但受矿井井底环 境及设备结构特点等影响， 传统防堆煤磨损尾绳保 护装置存在很大的局限性， 主要体现在以下方面保 护装置只能对局部堆煤煤位进行检测， 在较大井底 空间内无法准确检测出堆煤煤位； 保护装置安装位 置不易设置， 在尾绳附近容易被落煤砸坏， 远离尾绳 又起不到检测作用； 容易误动作、 误报警[6]。鉴 此 ， 本文设计了一种基于二维激光雷达扫描技术和主动 红外对射传感器技术的矿井防堆煤磨损尾绳保护系 统 ， 该系统能及时、 可靠地检测井底堆煤情况。 1系统原理 图图1矿井防堆煤磨损尾绳保护系统布置矿井防堆煤磨损尾绳保护系统布置 Fig. 1 Layout of protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine 图图2矿井防堆煤磨损尾绳保护系统工作原理矿井防堆煤磨损尾绳保护系统工作原理 Fig. 2 Working principle of protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine 并通过通信端口传递至上位机， 上位机开启报警装 置 ， 且主动红外对射传感器系统由休眠状态变为开 启状态。堆煤若得不到及时处理将继续増高， 当堆 煤触及主动红外对射传感器系统的光线检测平面 时 ， 主动红外对射传感器系统输出的电平信号发生 化 信 口 传递 上 ， 上 升机电控系统做出反应， 提升机停止工作， 防止尾绳 磨损、 扭结。 为确保井底堆煤达到一定程度时， 能够及时报 警或停止提升机运行， 矿井防堆煤磨损尾绳保护系 统布置了 2 层保护系统一二维激光雷达扫描系统 和主动红外对射传感器系统， 如 图 1 所示。该保护 系统中各部分与尾绳底部之间的距离可根据矿井实 际情况设定。 矿井防堆煤磨损尾绳保护系统工作原理如图2 所示。系统开始工作时， 二维激光雷达扫描系统开 启 ， 主动红外对射传感器系统休眠。二维激光雷达 扫描系统中激 测 置发射激 ， 传 动系统转动的光学反光镜形成激光扫描平面， 主控 电路板控制传动系统转动， 当堆煤触及激光扫描平 面 时 ， 二维激光雷达扫描系统的测距信息发生变化 0系统关键技术 2. 1 二维激光雷达扫描系统 二维激光雷达扫描系统主要利用激光技术的测 距原理， 通过分析对比发射探测激光束与反射回的 探测激光束， 得出检测目标的距离[79]。针对井底堆 煤情况的检测， 主要通过判断二维激光雷达扫描系 统的测距信息是否发生变化， 来判断堆煤煤位是否 限。 二维激光雷达扫描系统主要由激光测距装置、 传动系统、 主控电路板和光学反光镜等组成， 如 图 3 所示。激光测距装置中包含激光发射模块、 激光接 收模块及激光处理模块等。激光发射模块主要由短 脉冲产生电路、 发光驱动电路和半导体激光二极管 18 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 组成[1]。短 脉 冲 产 生 电 路 产 生 脉 冲 宽 度 为 10〜 2 0 r 的触发脉冲； 发光驱动电 动半导体激光二 极管发光， 产生单脉冲功率高及脉冲宽 窄的测 激 [11]。激光接 块采用雪崩光 电二 接收反射的光信号[12]， 采用 后进行 二 ， 形 计时的触发信号。激 块 作 为 计 时 装 置 ， 接 收 计 时 起 始 信 号 和 结 束 信 号[13]， 完成时差测量， 并将时差信息上传至主控电 路板。传动系统包含电动 减速器， 并受主控电 板 ， 传动系统带动 光 学 反光镜 180 旋 ， 形成激光扫描 。二维激光雷达扫描系统开 始工作时测量的 为初始数据， 将初始数据传递 上 ， 当井底堆 激光扫描 f 时 ， 系统测量的 发生变化并上传至上 ， 上位 始数据 化数据 ， 判断井底堆煤 是 高 ， 若是则启动主动红外对射传感器系 统 警装置。 图图3二维激光雷达扫描系统组成二维激光雷达扫描系统组成 Fig. 3 Composition of two-dimensional laser radar scanning system 2.2 主动红外对射传感器系统 主动红外对射传感器系统主要由1 组红外发射 器 、 红外接 反光镜组成[14]， 如 图 4 所示。 调整 反光镜的 ， 使红外发射器 发出的光线经过若干光学反光镜反射后 外接收 接收， 形成网状 的光线检测 ， 该光线检测 能 高系统对堆 的检测范围。红外发 射 外接 采 用 GUG8F 矿用本安型红外传 感器发射器和接收器， 供电直流电压为12. 5 V ， 电 流分别为3010 mA。当堆煤未触及主动红外对射 传感器系统的光线检测 时 ， 主动红外对射传感 系统输出低电平（ 0. 5 V 当堆 主动红 外对射传感器系统的光线检测 时 ， 主动红外对 射传感器系统输出 电 为高电平（ 1 0 V 上传至上 。上 升机电控系统使提 升 工作， 防止堆 高引起尾绳磨损。 radiation sensor system 3 系统测试 为验证矿井防堆煤磨损尾绳保护系统的可靠性 实用性， 在石拉乌 矿对该系统 测试。首 安装二维激光雷达扫描系统， 确保激光扫描 f 于尾绳底 方 100 cm处 ； 然后在距尾绳底部向 40 cm处安装主动红外对射传感器系统； 最后将 2 层保护系统分别 PLC、 Profibus-DP总线与上 、 提升机电控系统连接。 堆 2 层 系 统 时 ， 系统 如 图 5a所 示 ； 当堆 升高， 触及二维激光雷达 扫描系统的激光扫描 时 ， 系统 如 图 5b所 示 ， 测距信息发生变化且开始 警 ； 当堆 不 时 继续升高， 触及主动红外对射传感器 系统的光线检测 时 ， 系统 如 图 5c所 示 ， 线遮 警 ， 同时系统 升机电控系统使提 正常状态界面 正常状态界面 井底堆煤煤位超高检测 二 维 激 光 雷 达 扫 描 系 统 测 距 信 息 | 3.25 | m危 险 报 警 主 动 红 外 对 射 传 感 器 系 统 光 线 遮 断 报 警 0 b 二维激光雷达扫描系统二维激光雷达扫描系统 报警界面报警界面 图图5矿井防堆煤磨损尾绳保护系统测试界面矿井防堆煤磨损尾绳保护系统测试界面 二维激光雷达扫描系统和主动红外二维激光雷达扫描系统和主动红外 对射传感器系统报警界面对射传感器系统报警界面 Fig. 5 Test interface of protection system for prevention of coal piling wearing tail rope in mine 2 0 1 8 年 第 5 期王 德 堂 等 矿 井 防 堆 煤 磨 损 尾 绳 保 护 系 统 设 计 19 升机停止运行。测试结果表明， 随着堆煤煤位不断 增高， 系统运行正常、 稳定， 没有出现误报警、 不动作 等情况。 4结语 矿井防堆煤磨损尾绳保护系统由二维激光雷达 扫描系统和主动红外对射传感器系统组成。随着矿 井井底堆煤煤位的增高， 堆煤首先触及二维激光雷 达扫描系统， 测距信息发生变化并上传至上位机， 上 位机控制报警装置报警， 同时启动主动红外对射传 感器系统;若堆煤得不到及时处理将继续增高， 堆煤 触及主动红外对射传感器系统， 电平信号发生变化 并上传至上位机， 上位机控制提升机电控系统使提 升机停止运行， 实现对尾绳的防磨损保护。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *姜文河， 董庆波姜文河， 董庆波.摩擦式提升机圆尾绳故障分析摩擦式提升机圆尾绳故障分析[J]. 矿山机械，矿山机械，2008,361 80-81. 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