牟淑杰，王廣錄，宮喜波，施曉新

（1.營(yíng)口理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115014；2.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司 紅陽(yáng)二礦，遼寧 沈陽(yáng) 110101）

盤(pán)形閘是礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件[1]，由于使用頻繁，造成閘盤(pán)與制動(dòng)盤(pán)之間產(chǎn)生磨損，使得間隙過(guò)大，而影響制動(dòng)效果。根據(jù)2016版《煤礦安全規(guī)程》第四百二十六條第二項(xiàng)明確規(guī)定“盤(pán)形閘的閘瓦和閘盤(pán)之間的間隙不得超過(guò)2 mm”，并且在四百二十三條第六項(xiàng)規(guī)定“當(dāng)閘瓦間隙超過(guò)規(guī)定值時(shí)，能報(bào)警并閉鎖下次開(kāi)車(chē)”[2]。因此，盤(pán)形閘工作間隙的監(jiān)測(cè)與保護(hù)對(duì)提升機(jī)裝置的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

然而，通過(guò)對(duì)東北地區(qū)煤礦企業(yè)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)的煤礦提升機(jī)中都沒(méi)有安裝閘間隙保護(hù)裝置，仍采用較為原始的保護(hù)開(kāi)關(guān)作為安全保護(hù)，造成了保護(hù)措施不利，技術(shù)手段落后，控制精度不高，保護(hù)效果不明顯，經(jīng)常出現(xiàn)安全隱患。設(shè)計(jì)了一種礦井提升機(jī)閘間隙保護(hù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置,該保護(hù)裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)閘間隙、閘瓦磨損、彈簧疲勞等相關(guān)數(shù)據(jù)，且具有自動(dòng)聲光報(bào)警及斷電保護(hù)功能[3]。

1 檢測(cè)原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)閘間隙、閘瓦磨損和彈簧疲勞進(jìn)行檢測(cè)。制動(dòng)閘正常狀態(tài)和閘瓦磨損及彈簧疲勞狀態(tài)圖如圖1。

圖1 制動(dòng)閘正常狀態(tài)和閘瓦磨損及彈簧疲勞狀態(tài)圖Fig.1 State diagram of brake normal state,brake shoe wear and spring fatigue

1）盤(pán)形閘閘間隙檢測(cè)。盤(pán)形閘閘間隙是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的重要指標(biāo)，它是指提升機(jī)全松閘狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)與閘瓦之間的間隙值[4]。該值可由下式計(jì)算：

ZJ=ZH-ZS

當(dāng)閘瓦磨損時(shí)：ZJ=ZH-ZS+ZM

式中：ZJ為間隙值，mm；ZH為合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離，mm；ZS為松閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離，mm；ZM為閘瓦磨損值，mm。

2）閘瓦磨損檢測(cè)。閘瓦磨損是由于礦井提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常處于減速制動(dòng)狀態(tài)，造成盤(pán)式制動(dòng)閘閘瓦與制動(dòng)盤(pán)之間不斷摩擦，而使閘瓦產(chǎn)生機(jī)械磨損，厚度逐漸減小，閘間隙逐漸增大，不但造成制動(dòng)力不均勻，且導(dǎo)致制動(dòng)力有所下降，影響制動(dòng)效果。正常閘瓦緊閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離ZH小于磨損閘瓦緊閘時(shí)閘瓦外側(cè)與傳感器的距離ZH1，閘瓦磨損值ZM可由下式計(jì)算：

ZM=ZH1-ZH

式中：ZH1為磨損閘瓦合閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離。

3）彈簧疲勞監(jiān)測(cè)。彈簧疲勞是由于提升機(jī)制動(dòng)閘經(jīng)常處于松閘和緊閘狀態(tài)，隨著運(yùn)行的時(shí)間增加，碟形彈簧彈力會(huì)有所下降，從而導(dǎo)致制動(dòng)力有所減弱。當(dāng)制動(dòng)力減小到規(guī)定值時(shí)，就要及時(shí)更換碟形彈簧[5]。正常彈簧松閘時(shí)，閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離ZS大于疲勞彈簧松閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離ZS1，彈簧疲勞值可由下式計(jì)算：

TP=ZS-ZS1

式中：TP為彈簧疲勞值；ZS1為彈簧疲勞且開(kāi)閘時(shí)閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離。

2 主井提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

煤礦提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)盤(pán)型閘與制動(dòng)盤(pán)之間的動(dòng)態(tài)間隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在具體設(shè)計(jì)中，選擇PLC作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心控制器，激光位移傳感器作為系統(tǒng)參數(shù)的檢測(cè)。通過(guò)此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘瓦工作間隙、磨損值、彈簧疲勞等數(shù)據(jù)信息，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警或斷電。閘盤(pán)偏擺只做報(bào)警處理。

2.1 監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置

監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置的控制框圖如圖2。本系統(tǒng)由24只激光位移傳感器、PLC及模擬量輸入輸出接口、工業(yè)計(jì)算機(jī)、觸摸屏等組成。

圖2 監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置控制框圖Fig.2 Control system of monitoring protection device

系統(tǒng)采用S7-300系列PLC，CPU選擇313C-2DP，1個(gè)數(shù)字量輸入接口選擇SM321，用于初始調(diào)零設(shè)置和復(fù)位信號(hào)；1個(gè)數(shù)字量輸出接口選擇SM322，用于聲光報(bào)警；3個(gè)模擬量輸入接口選擇SM331，用于檢測(cè)盤(pán)形閘間隙等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，供PLC使用[6]。系統(tǒng)工作時(shí)，PLC采集激光位移傳感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)值，通過(guò)前述計(jì)算公式，計(jì)算出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的數(shù)值，并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，供司機(jī)隨時(shí)查看。當(dāng)盤(pán)形閘與制動(dòng)盤(pán)處在初始位置時(shí)顯示綠色值，監(jiān)測(cè)的實(shí)際工作值在規(guī)定值以?xún)?nèi)時(shí)顯示為黃色值，當(dāng)超過(guò)規(guī)定值（閘間隙保護(hù)值不得超過(guò)2 mm，閘偏擺值不得超過(guò)0.5 mm）時(shí)顯示為紅色值，且能夠自動(dòng)聲光報(bào)警。

2.2 高精度激光位移傳感器

采用了邦納公司的LH系列高精度激光位移傳感器。它主要用于短距離、高精度測(cè)量，并采用了670 nm（1 mW）IEC和CDRH紅色2級(jí)可見(jiàn)激光發(fā)射管，利用三角測(cè)量方法，1 024像素CMOS圖像式接收元器件以及LH－ring軟件平臺(tái)支持。其系統(tǒng)測(cè)量精度可達(dá)1μm，分辨率0.1μm，滿(mǎn)量程線(xiàn)性度0.1%。LH傳感器可在多可達(dá)8～32個(gè)LH傳感器之間組網(wǎng)，且能穩(wěn)定工作。

2.3 系統(tǒng)軟件

監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要滿(mǎn)足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、調(diào)零初始化、偏差計(jì)算、顯示、報(bào)警等功能[7]。通過(guò)程序，實(shí)現(xiàn)閘間隙計(jì)算、閘瓦磨損量的計(jì)算，一旦計(jì)算結(jié)果超出規(guī)定的值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警型號(hào)[8]。主程序流程圖如圖3。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

2.4 人機(jī)界面

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用人機(jī)界面（HMI）設(shè)計(jì)，用Wincc flexible組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)編程[9]，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)顯示畫(huà)面直觀清晰。通過(guò)PLC以變量為紐帶建立HMI與過(guò)程監(jiān)控之間的通訊，過(guò)程值通過(guò)輸入/輸出模塊存儲(chǔ)在PLC中，觸摸屏則通過(guò)訪問(wèn)變量訪問(wèn)PLC相應(yīng)的存儲(chǔ)單元[10]，然后進(jìn)行計(jì)算、判斷和處理等。該畫(huà)面具有實(shí)時(shí)檢測(cè)、參數(shù)初始化、傳感器投入/解除、報(bào)警值設(shè)置、報(bào)警試驗(yàn)、報(bào)警等功能。系統(tǒng)人機(jī)界面（HMI）如圖4。

圖4 人機(jī)界面（HMI）Fig.4 Human－computer interface（HMI）

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

系統(tǒng)調(diào)試是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，檢測(cè)精度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，顯示數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行等一系列技術(shù)問(wèn)題。調(diào)試過(guò)程主要按以下步驟進(jìn)行：

1）電源投入。先將斷路器4合閘，控制電源送電。檢查PLC各狀態(tài)指示燈顯示是否正常，顯示屏各區(qū)域所顯示的信息是否正常，各電源指示燈顯示是否正常，如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，要及時(shí)關(guān)閉供電電源斷路器開(kāi)關(guān)，檢查供電線(xiàn)路、傳感器等供電電源。

2）傳感器位置的調(diào)整。傳感器的位置非常重要，影響系統(tǒng)的檢測(cè)精度，一般檢測(cè)的初始距離為7.5 mm左右較為合適。在抱閘的情況下，調(diào)整各個(gè)傳感器位置，觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面中1號(hào)區(qū)域“探頭間隙值”的數(shù)據(jù)顯示，直至“探頭間隙值”都顯示為7.500 mm左右為止。

3）初始化數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)分為緊閘初始化數(shù)據(jù)和松閘初始化數(shù)據(jù)，緊閘初始化數(shù)據(jù)是提升機(jī)在更換完新的閘片后，所有激光位移傳感器間隙值調(diào)整完畢，提升機(jī)在緊閘停止?fàn)顟B(tài)，按下顯示屏中的“全部初始化”按鈕，即完成了緊閘初始化數(shù)據(jù)設(shè)定；松閘初始化數(shù)據(jù)是上述操作完成后，啟動(dòng)提升機(jī)，在全松閘的情況下，再次按下“全部初始化”按鈕，即完成了松閘初始化數(shù)據(jù)設(shè)定[11]。初始化數(shù)值是作為零初值的重要參考依據(jù)。

4）傳感器投入與解除。傳感器只有投入運(yùn)行以后，才能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，顯示正常值。當(dāng)某個(gè)傳感器發(fā)生故障時(shí)，顯示的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)非法值，此時(shí)，通過(guò)顯示屏中的解除按鈕解除該傳感器的輸入值，顯示的數(shù)值將被閉鎖。

5）提升機(jī)運(yùn)行以后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)畫(huà)面全部顯示在顯示屏中，且所有數(shù)據(jù)都在實(shí)時(shí)更新，當(dāng)超出規(guī)定的值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。通過(guò)畫(huà)面選擇按鈕，能夠選擇實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)初始化等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了紅陽(yáng)二礦主井提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置技術(shù)改造和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是保障提升系統(tǒng)運(yùn)行安全的重要設(shè)備。制動(dòng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，可能出現(xiàn)墩罐等重大事故，也極有可能造成人身傷亡，故在提升系統(tǒng)中制動(dòng)閘控制及保護(hù)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。紅陽(yáng)二礦主井提升機(jī)閘間隙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行2年多，大大提升了制動(dòng)系統(tǒng)的控制精度，縮短了故障處理時(shí)間，提高了礦井提升機(jī)工作的安全性和可靠性。