1.项目背景
斜井提升箕斗是矿山重要的矿石提运设备，由于其有着重心较低、运行稳定等优点，被广泛应用。因此斜井提升箕斗的安全可靠运行也就直接关系到采矿安全生产是否能顺利完成。其运行过程中是否存在安全隐患也受到极大的关注。
斜井提升箕斗除了对提升电控系统有着很高的安全要求，同时对其本体设备的实际故障状态监测也有着十分高的要求。其中危害最为严重的便是斜井提升箕斗的脱轨跑车事故。引起该事故的原因主要有三个方面：提升机制动失效、提升钢绳断裂、插销失效断裂。提升钢绳断裂的因素往往有很多，比如钢绳被外物损伤、钢绳疲劳断丝、钢绳超负荷断裂。钢绳从断丝到断裂通常都会经历量到质的变化，这可以通过日常的点检进行判断，但钢绳超负荷断裂却往往都具有突发性，不太容易预见性发现和检测。
引起钢绳超负荷的主要原因之一就是箕斗出现脱轨掉道故障，由于该故障无法检测，因此当箕斗脱轨后，提升机电控系统和操作人员均无法发现，无法及时停车，进而引发更大的设备事故。
箕斗脱轨故障一旦发生，小则撞毁巷道内的风水管、电缆等相关设备设施，损坏箕斗，严重则引起提升钢绳断裂，进而造成跑车事故，严重威胁井下作业人员人身安全及装矿站点的生产设备实施。因此箕斗脱轨故障的检测对于消除斜井提升箕斗的安全运行隐患有着极其重要的安全效益和经济效益。
因此如何从根本上检测斜井箕斗脱轨掉道故障，对于提升机的安全运行有着十分重大的意义。
2.功能概述
(1)斜井箕斗矿车提升防掉道监测用于实时监测矿车底盘与导轨的距离以及矿车的加速度倾角，以此来判断矿车是否掉道。
(2)当矿车发生掉道，系统会立即发出声光报警，并提供一路安全继电器输出，可在需要时串入提升机安全回路，触发安全回路掉电，有效地避免了因脱轨跑车等原因引发的事故，保证了矿车运行安全。
(3)本方案具有故障自检功能，可对电池欠压、传感器故障、无线通信不畅等故障实时检测报警。
(4)本方案具备历史数据和故障信息存储功能，可以在需要时查询历史数据及故障信息。
针对斜井箕斗在运输过程中易出现脱轨，设计了新型无线通信传输网络系统。通过安装于矿车箕斗底部的接近开关可以实时监测矿车与轨道的接触状态。在井口安装到位传感器，用来监测箕斗的到位状态。在滚筒上安装霍尔元件通过计数滚筒所转圈数间接知道矿车的行程。利用西门子CPU ST20将信息发送到井口接收装置，采集及预处理到的数据通过无线模块远距离发送至上位机的无线模块接收端，接收端与上位机进行通讯。
其优点为检测装置维护量小，在巷道内无需复杂的布线，检测响应速度快，可在掉道第一时间报警并停机，自动检测故障并保护，不增加操作人员劳动强度。
3.技术方案
金属矿井环境地处偏远、复杂、环境恶劣的山下，对其监测存在需要采集的数据量大、受监测区域动态性变化加上传统的有线弊端等限制，现有的有线通信方式远远不能符合井下安全监测的应用标准。无线通信传输网络基于无线传输的方式来监测外界环境，易部署，有低功耗，高容错性，高灵活性和高自主性的优点。
针对斜井箕斗宜实现自动化监测的特点和掉道现象以及对金属矿安全监测方面的不足，研究设计了无线通信传输网络系统，其结构框架如图1所示，系统结构实物示意图如图2所示。
图1 无线通信传输网络系统结构框图
图2 系统结构实物示意图
系统整体分为井口接收模块、斜井箕斗数据采集模块（发射模块）和上位机模块三部分。
(1)井口接收模块作为各类数据采集的接收装置，主要采集监测斜井箕斗位置的到位传感器的开关量信息和滚筒的计数数据并负责将斜井箕斗数据采集模块的信息通过西门子CPU ST20相连，采集及预处理到的数据通过无线模块远距离发送至上位机的无线模块接收端，为了满足一定的防爆与通信稳定性要求，将无线模块接收端封装到由钢板焊接而成的箱体当中。
(2)斜井箕斗数据采集模块将监测斜井箕斗与轨道的接近开关数据通过发射天线传输到井口接收箱中，利用接近开关测量箕斗小车的加速度与倾角信息也传递到无线模块接收端，将测得的所有数据信息与地面上位机进行通信，
(3)上位机模块在接收到各项数据后，上位机进行相关的数据运算与处理，当发生箕斗超载、未到位和处于掉道临界状态时，传感器数据会发生急剧变化并通过上位机软件进行报警并停机，通知检查或负责人员进行处理，及时排除隐患。
本方案主要是通过位移传感器与加速度倾角传感器的信息量来判断矿车是否掉道。将位移传感器固定在矿车的底部，测量矿车与轨道的之间的距离，如果测量值超过警戒值，说明矿车掉道并发出报警。另外，通过LJA30M-60N1传感器测量加速度与倾角的数据来进一步确定矿车是否发生掉道，如果这两个参数也都超过了警戒值，将第一时间报警并停机，并将所存储的数据发到上位机。
4.技术参数
（1）硬件设计
为保证恶劣环境下系统可靠运行，本项目选用安全、准确和强抗干扰的硬件设备，其具体技术指标如表1所示。
表1 硬件型号及其技术指标
在矿山斜井当中，由于受到多种不确定环境因素的影响，为了使信号方便接收并传给上位机，将接收系统安装于井口，无线通信模块选择RS485-Lora-M。RS485-Lora-M无线串口模块是艾莫迅推出的一款体积小，微功率、低功耗、高性能远距离LORA无线串口模块。模块设计采用高效率的ISM频段射频SX1278扩频芯片。该RS485-Lora-M无线串口模块工作频率410MHz，以1Mhz频率为步进信道，共32个信道，可通过AT指令在线修改串口速率，发射功率，空中速率、工作模式等各种参数，并且支持固件升级功能。
接近开关属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，当B值达到一定的程度(如B1)时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出，和其他传感器类似有NPN、PNP、常开型、常闭型、锁存型(双极性)、双信号输出之分。霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。本方案选用型号为NJK-5002C的霍尔磁性传感器，PBT感应探头，检测距离8MM，内置智能芯片，反应灵敏，频率响应快，接通电源灯灭，检测到磁铁灯亮。
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斜井提升防掉道监测系统的重点在于通过安装于箕斗矿车车身上的位移传感器、加速度倾角传感器反馈的数据信息来判断箕斗矿车的运行状态即是否掉道，通过到位传感器（接近开关）判断矿车的到位情况，利用霍尔元件来知道矿车的行程与位置。此项目所用到的箱体均要起到防水防爆的作用。
（2）软件设计
图3软件设计流程图
5.方案优势
由于提升机的运行区间往往长达几百米近千米，如果采用人工检测的话无法实现人员跟随设备进行检测，该方式无论从安全性和实施性均不具备条件，因此只能通过视频进行检测。但由于斜井提升箕斗很多安装于出风井，巷道空气质量极差，可视程度极低，在箕斗运行的区间布置摄像头不但可视效果差，且布线复杂，维护量极大，同时对提升机操作人员要求极高，需不间断的双眼紧盯监控视频，劳动强度太大。有线网络布线改线工程量大。有线带宽不断的增加，换线工作将会无比艰巨。由于使用实体线，其线路容易损坏，一旦出错将不得不换掉整条线，维护不易。而且网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点联结起来时，敷设专用通讯线路布线施工难度之大，费用、耗时之多。
针对上述所存在的问题，本方案设计了无线信息传感器传输网络系统对斜井箕斗矿车进行监测。
此方案的优点有以下几点：
（1）通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性。
（2）无需复杂的布线，检测响应速度快，可在掉道第一时间报警。
（3）检测装置维护量小，低功耗、高容错性，高灵活性和高自主性。
（4）成本低、范围大、布设灵活、移动支持。
（5）采集的信息准确可靠，信息传输接口安全稳定，具有运行可靠、操作方便、可扩展性强、自动化程度高等特点，可以起到对矿车箕斗掉道的良好的监测作用。
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