斜井架空乘人裝置安全保護監(jiān)控系統(tǒng)的設計

王曉強

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

0 引言

煤炭是中國能源結(jié)構(gòu)體系中重要的基礎(chǔ)能源，為順應國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家每年需要開采大量的煤炭資源[1]。架空乘人裝置是煤礦開采中重要的輔助運輸裝備，其主要作用是運送煤礦工作人員，相當于是工作人員的交通工具，架空乘人裝置的使用顯著縮短了煤礦工人上下班的時間[2-3]，進而提升了煤礦的作業(yè)效率。由于該裝置是輸送工作人員，所以其安全性能相對較高，必須做到萬無一失[4]。如果出現(xiàn)故障問題，輕則給煤礦企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失，重則可能引發(fā)嚴重的人員傷亡安全事件[5]。但是很長一段時間以來，煤礦企業(yè)都將更多的精力和財力運用在煤礦井下開采設備上，因為這些設備可以顯著提升煤礦開采的效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益[6]。而由于架空乘人裝置的投入和效益比不顯著，因此對其安全關(guān)注程度并不是非常高[7]。使得很多煤礦的斜井架空乘人裝置及其配套的安全保護監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足實際使用需要，存在較大的安全隱患[8-9]。文中在分析斜井架空乘人裝置實際運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，設計研究了安全保護監(jiān)控系統(tǒng)，能夠有效保障礦井工作人員的安全。對于提升礦井的信息化和自動化水平，保障礦井安全具有重要的實踐意義。

1 安全保護監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計

1.1 系統(tǒng)的功能需求分析

對斜井架空乘人裝置運行狀態(tài)進行深入分析，提出安全保護監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包含2個方面[10]：第一，對上車和下車人員進行自動檢測，如果無人乘坐裝置時，裝置將會處于待機狀態(tài)，以降低電能的消耗，避免不必要的能源消耗，為企業(yè)節(jié)省成本。如果檢測有人員上車時，系統(tǒng)就會開始運行，將人員運送到指定的地點；第二，系統(tǒng)可以對架空乘人裝置運行過程中的各種故障問題進行自動檢測，發(fā)現(xiàn)問題后能夠馬上對裝置做停車處理，并發(fā)出聲音警報，提示相關(guān)人員出現(xiàn)了安全問題，這樣可以及時消除安全隱患。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案設計

圖1為斜井架空乘人裝置安全保護監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案，從圖1可以看出整個系統(tǒng)由多部分構(gòu)成，根據(jù)不同硬件設備的功能，可以將其劃分成為4個層級，分別為現(xiàn)場儀表、設備層、控制層和管理層。現(xiàn)場儀表主要包括使用的各類傳感器以及信號檢測系統(tǒng)，功能是對裝置和設備的運行狀態(tài)進行實時檢測；設備層主要是需要被重點監(jiān)測的設備對象，主要包括電機、滾筒以及制動機油站等；控制層主要包括變頻器和控制器，作用是對架空乘人裝置進行控制；管理層主要包含操作臺、控制面板等，通過操作臺可以對架空乘人裝置進行設置和控制。不同層級發(fā)揮不同的功能，共同構(gòu)成了整個安全保護監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 斜井架空乘人裝置安全保護監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of safety protection monitoring system for inclined shaft overhead passenger device

2 系統(tǒng)硬件選型與設計

2.1 PLC控制器的選型

控制系統(tǒng)由多個部分構(gòu)成，最核心的是PLC控制器和變頻器，此外還包括本案電源、操作臺、控制箱等硬件。PLC控制器的作用是對架空乘人裝置進行控制，因此控制器的性能對整個監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)劣有決定性的影響，應該選用運算能力滿足要求的PLC控制器。在充分考慮礦井實際使用需要的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)選用三菱公司設計生產(chǎn)制造的型號為FX2N-64MT-001的PLC控制器。該型號PLC控制器可以劃分成多個模塊，其中主要模塊包括CPU模塊、存儲模塊、電源模塊和I/O接口模塊。其中CPU模塊主要承擔數(shù)據(jù)的分析與處理工作，存儲模塊主要負責數(shù)據(jù)信息的儲存，電源模塊負責控制器電能的供應，接口模塊負責數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出[11]。PLC內(nèi)部通過總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各種指令和數(shù)據(jù)信息的傳輸。

2.2 變頻器的選型

變頻器需要接受PLC的控制，作用是根據(jù)礦井實際使用需要輸出不同的電壓頻率，實現(xiàn)架空乘人裝置的啟動、停止及其速度控制。系統(tǒng)中選用由三菱公司設計制造的型號為FR-F740-0.75K-CHT的變頻器。實踐表明，該信號變頻器性能優(yōu)越，能夠適應不同的應用場景[12]。變頻器的輸出功率可以控制在0.75～630 kW范圍內(nèi)，采用磁通矢量控制模式，節(jié)能效果非常顯著。變頻器內(nèi)部設置PID控制器和獨立的RS485通信接口，能夠和其他裝置進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換。

2.3 控制箱的設計

PLC控制器、變頻器等電氣元件全部放置在控制箱內(nèi)部，可以對控制箱進行編程，實現(xiàn)設計者想要的功能。控制箱與各類傳感器直接連接可以對傳感器內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)進行讀取，并對這些采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信號進行分析、比較。基于處理結(jié)果，控制箱可以對斜井架空乘人裝置的運行參數(shù)進行控制，確保其運行安全。控制箱中配有顯示器，可以顯示各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，工作人員就可以直觀地了解設備運行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件程序設計

圖2為安全保護監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序流程。系統(tǒng)開始工作后，進行初始化處理，確保一切正常后，如果沒有特殊操作，系統(tǒng)按照預定的自動控制程序運行。在機頭和機尾部設置有紅外傳感器，可以甄別人員的上下車情況。當無人乘坐時，架空乘人裝置將會處于待機狀態(tài)，以節(jié)省能源；當檢測到有人員上車時，PLC控制系統(tǒng)就會下達啟動指令，設備開始運行。基于數(shù)字量計數(shù)器，控制系統(tǒng)可以對上車和下車的人員數(shù)量進行統(tǒng)計，計算乘坐人員總量。架空乘人裝置運行時間受距離和速度的影響，當有多人同時需要乘車時，能夠檢測到最后一位人員上車后才會啟動設備；同樣地，在停車階段，當檢測到最后一位人員下車后，控制系統(tǒng)會延遲一段時間再對設備下達停車指令。

圖2 安全保護監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序流程Fig.2 Software program flow chart of safety protection monitoring system

系統(tǒng)運行過程中，各類傳感器會對架空乘人裝置的運行狀態(tài)進行檢測，并將檢測得到的信息傳輸?shù)絇LC控制器中進行分析和處理。一旦控制器發(fā)現(xiàn)架空乘人裝置的運行狀態(tài)存在安全隱患時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出聲音警報，然后再下達停車指令。當需要對架空乘人裝置進行檢修時，可以在控制系統(tǒng)中將控制模式切換到檢修模式，此時可以切斷PLC控制器與各類裝置之間的連接，工作人員在現(xiàn)場對裝置進行控制。

4 系統(tǒng)保護功能實現(xiàn)

4.1 機頭和機尾越位保護

越位保護主要通過行程開關(guān)實現(xiàn)，在架空乘人裝置的機頭和機尾部位分別設置有越位點，乘坐人員如果發(fā)現(xiàn)超過了越位點時，可通過手動方式觸發(fā)行程開關(guān)。行程開關(guān)會將相關(guān)越位信號傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)下達緊急停車指令和聲音報警指令，通過喇叭播放越位信息。相關(guān)人員聽到聲音警報后，做出相應的處理，確保人身安全。

4.2 掉繩和斷繩保護

架空乘人裝置在使用過程中，如果長時間不對其進行檢修，就可能出現(xiàn)掉繩甚至斷繩的情況。出現(xiàn)這種情況時，鋼絲繩的運行速度會出現(xiàn)異常，可以通過速度傳感器對鋼絲繩的運行速度進行檢測。如果發(fā)現(xiàn)鋼絲繩速度存在異常，保護系統(tǒng)就會啟動機械捕繩器，對鋼絲繩進行制動處理。同時還會下達聲音報警指令，通過廣播的形式通知相關(guān)人員出現(xiàn)掉繩或斷繩的情況，避免不知情人員繼續(xù)上車，構(gòu)成人身安全威脅。

4.3 打滑保護

打滑保護裝置中用到的傳感器主要包括速度傳感器和霍爾傳感器。霍爾傳感器的作用是對滾筒的轉(zhuǎn)動速度進行檢測，進而計算得到滾筒表面的線速度。并將其與通過速度傳感器得到的鋼絲繩運行速度進行比較，如果兩者之間差異不大，說明不存在打滑現(xiàn)象；如果兩者之間差異較大，說明存在打滑現(xiàn)象。此時將相關(guān)信息傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)下達指令對架空乘人裝置進行停車處理，同時通過廣播系統(tǒng)進行故障報警。

4.4 重錘下限位保護

鋼絲繩長時間受到拉力作用時其長度會被慢慢拉長，最終導致重錘下限位置出現(xiàn)變化。當重錘與地面之間的距離小于20 cm時，就存在安全隱患。所以系統(tǒng)中設定重錘與地面之間的距離至少為20 cm，如果超過了該界限就會觸發(fā)限位保護裝置，相關(guān)信息傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)做出響應，對架空乘人裝置進行停車處理，同時發(fā)出聲音警報。

4.5 減速機油位和油溫報警裝置

對于架空乘人裝置，減速機在確保其安全方面發(fā)揮著重要作用。通過油位傳感器和溫度傳感器對減速機內(nèi)的油位和油溫進行實時檢測。如果發(fā)現(xiàn)油位過低或油溫過高，系統(tǒng)會下達指令停止運行，同時發(fā)出警報。

4.6 速度保護

滾筒的轉(zhuǎn)動速度可以反映架空乘人裝置的運行速度。前文已述，可以通過霍爾傳感器檢測滾筒的轉(zhuǎn)動速度，進而計算得到裝置的運行速度。裝置的運行速度過低或過快時都被認為是異常信號，此時系統(tǒng)會控制架空乘人裝置停止運行，同時發(fā)出速度過慢或過快的聲音警報。

5 結(jié)論

斜井架空乘人裝置作為煤礦中的輔助運輸系統(tǒng)，主要作用是運送工作人員進出礦井，因此必須具有非常高的安全性。在分析架空乘人裝置運行狀況的基礎(chǔ)上設計研究了安全保護監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)可以自動識別人員的上車和下車情況，進而自動控制裝置的運行和待機，以節(jié)省電能消耗。另外還設置了各種保護功能，對于架空乘人裝置運行過程中可能出現(xiàn)的故障問題，能夠進行自動識別和檢測。一旦發(fā)現(xiàn)問題可以立即發(fā)出聲音警報并對裝置作停車處理，確保乘坐人員的人身安全。斜井架空乘人裝置安全保護監(jiān)控系統(tǒng)應用，能夠有效提升礦井輔助運輸系統(tǒng)的安全性。