司俊廷 楊 帥 柴成娟

（1.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽二礦，遼寧 沈陽 110100；2. 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

提升機(jī)素有“礦井咽喉”之稱，在煤礦開采生產(chǎn)的過程中具有極為重要的作用和地位，而盤形閘間隙保護(hù)又是絞車提升裝置主要的保護(hù)裝置，決定了提升裝置在緊急制動(dòng)時(shí)的安全可靠性，保障了絞車安全運(yùn)行和礦井的安全生產(chǎn)?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：絞車提升裝置必須裝設(shè)閘間隙保護(hù)裝置，盤形閘的閘瓦和閘盤之間的間隙不得超過2mm；當(dāng)閘瓦間隙超過規(guī)定值時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警。所以對(duì)盤形閘的間隙監(jiān)測(cè)具有重要意義。因此，紅陽二礦運(yùn)轉(zhuǎn)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種以PLC為核心的礦井提升裝置閘間隙保護(hù)裝置，采用PLC監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和指令控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)閘瓦間隙實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警及斷電等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主井絞車閘間隙保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是測(cè)量盤型閘與制動(dòng)盤之間的動(dòng)態(tài)工作間隙并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警及斷電功能。在具體設(shè)計(jì)中，配置一臺(tái)KXJ-1.5/127(C)礦用隔爆兼本安型可編程控制箱作為在線監(jiān)測(cè)主站，每只閘盤設(shè)置2個(gè)GHJ10礦用本安型接近傳感器。通過此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘瓦工作間隙，當(dāng)閘瓦間隙超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，顯示范圍0～10mm，最多可以顯示24路。也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘盤偏擺，當(dāng)偏擺超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警?？梢酝ㄟ^按鈕對(duì)工作閘間隙、閘盤偏擺報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置（閘間隙保護(hù)值不得超過2mm，閘偏擺值不得超過0.5mm），并可通過按鈕對(duì)報(bào)警進(jìn)行復(fù)位。實(shí)時(shí)顯示閘瓦間隙及閘盤偏擺值，當(dāng)閘瓦間隙或偏擺值超過設(shè)定值時(shí)對(duì)故障報(bào)警進(jìn)行故障顯示。設(shè)計(jì)采用人機(jī)界面服務(wù)，并且已經(jīng)集成在PLC 操作系統(tǒng)內(nèi)，可靠性強(qiáng)，便于使用。因此，人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。人機(jī)界面(HMI)從PLC中要求數(shù)據(jù)，PLC按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)，PLC操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送。

2 保護(hù)裝置的工作原理

盤型閘工作間隙保護(hù)裝置采用PLC作為主控制器，在未安裝傳感器之前，無法監(jiān)測(cè)出盤形閘工作時(shí)閘盤最大間隙值。當(dāng)接好傳感器之后各點(diǎn)顯示為工作間隙的零點(diǎn)初始值。為了使傳感器工作在最佳區(qū)域范圍內(nèi)，要求傳感器距離制動(dòng)盤1～2.5mm左右。通過設(shè)置調(diào)零按鍵將各個(gè)測(cè)點(diǎn)調(diào)零，則觸摸屏顯示出每個(gè)盤形閘間隙值為“0.0”。這時(shí)，該閘間隙保護(hù)裝置有高可靠性位移傳感器在線采集數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過PLC測(cè)算出相應(yīng)盤閘的狀態(tài)與無故障設(shè)定值進(jìn)行比較，最終將各個(gè)數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上并在故障狀態(tài)時(shí)作出報(bào)警及報(bào)警記錄保存。

2.1 閘間隙檢測(cè)原理

所謂閘間隙是指開閘時(shí)制動(dòng)盤與閘瓦之間的距離。該值可由下列公式計(jì)算，即：

式中：

DX-閘間隙，mm；

DC-合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離，mm；

DO-開閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離，mm。

圖1 制動(dòng)閘正常狀態(tài)與閘瓦磨損狀態(tài)對(duì)比圖

2.2 閘瓦磨損檢測(cè)原理

閘瓦磨損是由于盤式制動(dòng)閘在使用過程中，閘瓦與制動(dòng)盤不斷摩擦，使得閘瓦產(chǎn)生磨損，厚度減少。閘瓦磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使閘間隙過大，從而導(dǎo)致制動(dòng)力下降。

正常閘瓦合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離DC小于磨損閘瓦合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離DC1，如圖1所示，閘瓦磨損值可由下式計(jì)算：

式中：

DM-閘瓦磨損值，mm；

DC1-磨損閘瓦合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離，mm。

2.3 彈簧疲勞監(jiān)測(cè)原理

彈簧疲勞是由于制動(dòng)閘經(jīng)常開閘和抱閘導(dǎo)致彈簧經(jīng)常產(chǎn)生形變，使得彈簧彈力下降，從而導(dǎo)致制動(dòng)力下降。

如圖2所示，正常彈簧開閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離DO大于疲勞彈簧開閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離DO2，彈簧疲勞值可由下式計(jì)算：

式中：

DP-彈簧疲勞值，mm；

DO2-彈簧疲勞且開閘時(shí)閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離，mm。

圖2 制動(dòng)閘正常狀態(tài)與彈簧疲勞狀態(tài)對(duì)比圖

本裝置通過礦用本安型接近傳感器實(shí)時(shí)采集各狀態(tài)下閘瓦外側(cè)與接近傳感器的距離，根據(jù)上述公式在PLC中進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上。當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)超出設(shè)定的報(bào)警值之后，輸出報(bào)警接點(diǎn)信號(hào)，并將故障信息顯示到顯示屏上。

2.4 距離傳感器設(shè)計(jì)原理

傳感器使用本質(zhì)安全型距離傳感器，該傳感器可將0～10mm距離信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)傳輸至PLC，PLC內(nèi)部經(jīng)過轉(zhuǎn)換計(jì)算將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為傳感器與閘瓦的實(shí)際距離，通過觸摸屏顯示出來。

3 功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，通過監(jiān)測(cè)裝置對(duì)閘間隙值進(jìn)行測(cè)量。本文基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)該系統(tǒng)主要功能進(jìn)行描述，這些功能大幅度提高了閘間隙監(jiān)測(cè)的可靠性和靈活性。所具有的功能如下：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并在觸摸屏上顯示閘間隙值、閘瓦磨損值和彈簧疲勞值等參數(shù)。

（2）參數(shù)初始化。初次安裝或調(diào)整過閘間隙以后，可以通過按鈕或觸摸屏對(duì)開閘時(shí)和抱閘時(shí)的探頭初始值進(jìn)行設(shè)置，不僅能夠通過全部初始化按鈕將所有探頭初始化，并且可以針對(duì)某個(gè)探頭單獨(dú)將其初始化。

（3）傳感器投入/解除功能。當(dāng)工作過程中某個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，可以通過觸摸屏按鈕投入或解除該傳感器。

（4）報(bào)警功能。當(dāng)閘間隙值、閘瓦磨損值和彈簧疲勞值超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并將具體故障類型和故障位置顯示到觸摸屏上，便于維護(hù)人員排查故障，同時(shí)還能輸出若干節(jié)點(diǎn)信號(hào)給相關(guān)設(shè)備的電控裝置。

（5）報(bào)警值設(shè)置靈活?？梢酝ㄟ^按鈕或觸摸屏對(duì)閘間隙、閘瓦磨損和彈簧疲勞的報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置，并可通過按鈕對(duì)報(bào)警進(jìn)行復(fù)位。

（6）報(bào)警試驗(yàn)功能。日常檢測(cè)維護(hù)時(shí)，可以通過觸摸屏報(bào)警窗口的試驗(yàn)按鈕試驗(yàn)報(bào)警輸出接口和聲光報(bào)警信號(hào)。

4 調(diào)試與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行調(diào)試與試驗(yàn)。

（1）送電：在接線準(zhǔn)確無誤的情況下，先將控制電源送電，如圖3所示，將斷路器4合閘。檢查PLC、顯示屏及各設(shè)備顯示狀態(tài)是否正確，如顯示異常，立即停電并進(jìn)行檢查。

圖3 閘瓦間隙保護(hù)控制箱內(nèi)部器件圖

圖4 顯示屏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面

（2）調(diào)整探頭距離：控制系統(tǒng)上電正常后，觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面中1號(hào)區(qū)域中“探頭間隙值”的數(shù)據(jù)顯示，隨著探頭的移動(dòng)與調(diào)整，探頭間隙值也隨之變化。在抱閘的情況下，調(diào)整各個(gè)探頭位置，直至“探頭間隙值”都顯示為7.500mm左右。

（3）初始化：所有探頭間隙值調(diào)整完畢且絞車停止5s以后，此時(shí)按下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面中3號(hào)區(qū)域中的“全部初始化”按鈕，抱閘時(shí)探頭間隙值將被初始化。操作完成后，啟動(dòng)絞車，在開閘的情況下，再次按下“全部初始化”按鈕，開閘時(shí)探頭間隙值也將初始化。單個(gè)傳感器調(diào)整以后，也可以按照上述步驟通過相應(yīng)的“初始化”按鈕進(jìn)行初始化設(shè)置。

（4）傳感器只有投入以后才能參與各項(xiàng)保護(hù)報(bào)警，當(dāng)某個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面中2號(hào)區(qū)域中的解除按鈕解除該傳感器的閉鎖。傳感器投入以后相應(yīng)的“X#盤閘”的顏色會(huì)由灰色變?yōu)樗{(lán)色。

（5）絞車運(yùn)行以后，如圖4所示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面中4號(hào)區(qū)域會(huì)顯示“絞車運(yùn)行中”。5號(hào)區(qū)域的畫面選擇鈕，能夠選擇顯示其他畫面。

5 結(jié)語

本文介紹了紅陽二礦運(yùn)轉(zhuǎn)隊(duì)設(shè)計(jì)的礦井提升裝置閘間隙保護(hù)裝置硬件配置、功能設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試等。此套閘間隙保護(hù)裝置由高可靠性位移傳感器在線采集數(shù)據(jù)，通過PLC根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)，測(cè)算出相應(yīng)盤閘的狀態(tài)與無故障設(shè)定值進(jìn)行比較，最終將各個(gè)數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，并在故障狀態(tài)時(shí)作出報(bào)警及報(bào)警記錄保存。結(jié)果表明，該裝置能提高閘間隙監(jiān)測(cè)的可靠性和靈活性。本系統(tǒng)投入后可減少因制動(dòng)系統(tǒng)故障而造成的事故，縮短故障處理時(shí)間，提高盤式制動(dòng)器工作的安全性和可靠性，延長設(shè)備使用壽命。