主井絞車盤形閘閘間隙保護系統設計

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. 重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

提升機素有“礦井咽喉”之稱，在煤礦開采生產的過程中具有極為重要的作用和地位，而盤形閘間隙保護又是絞車提升裝置主要的保護裝置，決定了提升裝置在緊急制動時的安全可靠性，保障了絞車安全運行和礦井的安全生產。《煤礦安全規程》規定：絞車提升裝置必須裝設閘間隙保護裝置，盤形閘的閘瓦和閘盤之間的間隙不得超過2mm；當閘瓦間隙超過規定值時，能自動報警。所以對盤形閘的間隙監測具有重要意義。因此，紅陽二礦運轉隊設計了一種以PLC為核心的礦井提升裝置閘間隙保護裝置，采用PLC監控技術進行數據采集和指令控制，能夠實現對閘瓦間隙實時監測、報警及斷電等功能。

1 系統設計

主井絞車閘間隙保護系統總體設計目標是測量盤型閘與制動盤之間的動態工作間隙并實現自動報警及斷電功能。在具體設計中，配置一臺KXJ-1.5/127(C)礦用隔爆兼本安型可編程控制箱作為在線監測主站，每只閘盤設置2個GHJ10礦用本安型接近傳感器。通過此系統可實時監測閘瓦工作間隙，當閘瓦間隙超過設定值時進行報警，顯示范圍0～10mm，最多可以顯示24路。也可實時監測閘盤偏擺，當偏擺超過設定值時進行報警。可以通過按鈕對工作閘間隙、閘盤偏擺報警值進行設置（閘間隙保護值不得超過2mm，閘偏擺值不得超過0.5mm），并可通過按鈕對報警進行復位。實時顯示閘瓦間隙及閘盤偏擺值，當閘瓦間隙或偏擺值超過設定值時對故障報警進行故障顯示。設計采用人機界面服務，并且已經集成在PLC 操作系統內，可靠性強，便于使用。因此，人機對話的編程要求大大減少。人機界面(HMI)從PLC中要求數據，PLC按用戶指定的刷新速度傳送這些數據，PLC操作系統自動地處理數據的傳送。

2 保護裝置的工作原理

盤型閘工作間隙保護裝置采用PLC作為主控制器，在未安裝傳感器之前，無法監測出盤形閘工作時閘盤最大間隙值。當接好傳感器之后各點顯示為工作間隙的零點初始值。為了使傳感器工作在最佳區域范圍內，要求傳感器距離制動盤1～2.5mm左右。通過設置調零按鍵將各個測點調零，則觸摸屏顯示出每個盤形閘間隙值為“0.0”。這時，該閘間隙保護裝置有高可靠性位移傳感器在線采集數據，根據傳感器采集的數據，通過PLC測算出相應盤閘的狀態與無故障設定值進行比較，最終將各個數據顯示在液晶顯示屏上并在故障狀態時作出報警及報警記錄保存。

2.1 閘間隙檢測原理

所謂閘間隙是指開閘時制動盤與閘瓦之間的距離。該值可由下列公式計算，即：

式中：

DX-閘間隙，mm；

DC-合閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離，mm；

DO-開閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離，mm。

圖1 制動閘正常狀態與閘瓦磨損狀態對比圖

2.2 閘瓦磨損檢測原理

閘瓦磨損是由于盤式制動閘在使用過程中，閘瓦與制動盤不斷摩擦，使得閘瓦產生磨損，厚度減少。閘瓦磨損嚴重時，會使閘間隙過大，從而導致制動力下降。

正常閘瓦合閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離DC小于磨損閘瓦合閘時閘瓦外側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算：

式中：

DM-閘瓦磨損值，mm；

DC1-磨損閘瓦合閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離，mm。

2.3 彈簧疲勞監測原理

彈簧疲勞是由于制動閘經常開閘和抱閘導致彈簧經常產生形變，使得彈簧彈力下降，從而導致制動力下降。

如圖2所示，正常彈簧開閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離DO大于疲勞彈簧開閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離DO2，彈簧疲勞值可由下式計算：

式中：

DP-彈簧疲勞值，mm；

DO2-彈簧疲勞且開閘時閘瓦外側與接近傳感器的距離，mm。

圖2 制動閘正常狀態與彈簧疲勞狀態對比圖

本裝置通過礦用本安型接近傳感器實時采集各狀態下閘瓦外側與接近傳感器的距離，根據上述公式在PLC中進行運算，并將結果實時顯示到顯示屏上。當某項參數超出設定的報警值之后，輸出報警接點信號，并將故障信息顯示到顯示屏上。

2.4 距離傳感器設計原理

傳感器使用本質安全型距離傳感器，該傳感器可將0～10mm距離信號轉換為4～20mA電流信號傳輸至PLC，PLC內部經過轉換計算將電流信號轉換為傳感器與閘瓦的實際距離，通過觸摸屏顯示出來。

3 功能設計

設計系統采用PLC作為主控制器，通過監測裝置對閘間隙值進行測量。本文基于系統設計內容，對該系統主要功能進行描述，這些功能大幅度提高了閘間隙監測的可靠性和靈活性。所具有的功能如下：

（1）實時監測功能。實時監測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。

（2）參數初始化。初次安裝或調整過閘間隙以后，可以通過按鈕或觸摸屏對開閘時和抱閘時的探頭初始值進行設置，不僅能夠通過全部初始化按鈕將所有探頭初始化，并且可以針對某個探頭單獨將其初始化。

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

（4）報警功能。當閘間隙值、閘瓦磨損值和彈簧疲勞值超過設定值時進行聲光報警，并將具體故障類型和故障位置顯示到觸摸屏上，便于維護人員排查故障，同時還能輸出若干節點信號給相關設備的電控裝置。

（5）報警值設置靈活。可以通過按鈕或觸摸屏對閘間隙、閘瓦磨損和彈簧疲勞的報警值進行設置，并可通過按鈕對報警進行復位。

（6）報警試驗功能。日常檢測維護時，可以通過觸摸屏報警窗口的試驗按鈕試驗報警輸出接口和聲光報警信號。

4 調試與試驗

為了驗證設計系統滿足設計要求，對現場信號進行調試與試驗。

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

圖3 閘瓦間隙保護控制箱內部器件圖

圖4 顯示屏實時數據畫面

（2）調整探頭距離：控制系統上電正常后，觀察實時數據畫面中1號區域中“探頭間隙值”的數據顯示，隨著探頭的移動與調整，探頭間隙值也隨之變化。在抱閘的情況下，調整各個探頭位置，直至“探頭間隙值”都顯示為7.500mm左右。

（3）初始化：所有探頭間隙值調整完畢且絞車停止5s以后，此時按下實時數據畫面中3號區域中的“全部初始化”按鈕，抱閘時探頭間隙值將被初始化。操作完成后，啟動絞車，在開閘的情況下，再次按下“全部初始化”按鈕，開閘時探頭間隙值也將初始化。單個傳感器調整以后，也可以按照上述步驟通過相應的“初始化”按鈕進行初始化設置。

（4）傳感器只有投入以后才能參與各項保護報警，當某個傳感器發生故障時，通過實時數據畫面中2號區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的“X#盤閘”的顏色會由灰色變為藍色。

（5）絞車運行以后，如圖4所示，實時數據畫面中4號區域會顯示“絞車運行中”。5號區域的畫面選擇鈕，能夠選擇顯示其他畫面。

5 結語

本文介紹了紅陽二礦運轉隊設計的礦井提升裝置閘間隙保護裝置硬件配置、功能設計及安裝調試等。此套閘間隙保護裝置由高可靠性位移傳感器在線采集數據，通過PLC根據傳感器采集的數據，測算出相應盤閘的狀態與無故障設定值進行比較，最終將各個數據顯示在液晶顯示屏上，并在故障狀態時作出報警及報警記錄保存。結果表明，該裝置能提高閘間隙監測的可靠性和靈活性。本系統投入后可減少因制動系統故障而造成的事故，縮短故障處理時間，提高盤式制動器工作的安全性和可靠性，延長設備使用壽命。