基于激光檢測技術(shù)的紅陽二礦主井提升機閘間隙監(jiān)測系統(tǒng)

牟淑杰，王廣錄，宮喜波，施曉新

（1.營口理工學院 電氣工程學院，遼寧 營口 115014；2.沈陽焦煤股份有限公司 紅陽二礦，遼寧 沈陽 110101）

盤形閘是礦井提升機制動系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件[1]，由于使用頻繁，造成閘盤與制動盤之間產(chǎn)生磨損，使得間隙過大，而影響制動效果。根據(jù)2016版《煤礦安全規(guī)程》第四百二十六條第二項明確規(guī)定“盤形閘的閘瓦和閘盤之間的間隙不得超過2 mm”，并且在四百二十三條第六項規(guī)定“當閘瓦間隙超過規(guī)定值時，能報警并閉鎖下次開車”[2]。因此，盤形閘工作間隙的監(jiān)測與保護對提升機裝置的安全運行具有十分重要的意義。

然而，通過對東北地區(qū)煤礦企業(yè)市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)的煤礦提升機中都沒有安裝閘間隙保護裝置，仍采用較為原始的保護開關(guān)作為安全保護，造成了保護措施不利，技術(shù)手段落后，控制精度不高，保護效果不明顯，經(jīng)常出現(xiàn)安全隱患。設(shè)計了一種礦井提升機閘間隙保護自動監(jiān)測裝置,該保護裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測閘間隙、閘瓦磨損、彈簧疲勞等相關(guān)數(shù)據(jù)，且具有自動聲光報警及斷電保護功能[3]。

1 檢測原理

監(jiān)測系統(tǒng)主要對閘間隙、閘瓦磨損和彈簧疲勞進行檢測。制動閘正常狀態(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）盤形閘閘間隙檢測。盤形閘閘間隙是監(jiān)測系統(tǒng)檢測的重要指標，它是指提升機全松閘狀態(tài)時，制動盤與閘瓦之間的間隙值[4]。該值可由下式計算：

ZJ=ZH-ZS

當閘瓦磨損時：ZJ=ZH-ZS+ZM

式中：ZJ為間隙值，mm；ZH為合閘時閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離，mm；ZS為松閘時閘瓦外側(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。閘瓦磨損是由于礦井提升機在運行過程中，經(jīng)常處于減速制動狀態(tài)，造成盤式制動閘閘瓦與制動盤之間不斷摩擦，而使閘瓦產(chǎn)生機械磨損，厚度逐漸減小，閘間隙逐漸增大，不但造成制動力不均勻，且導致制動力有所下降，影響制動效果。正常閘瓦緊閘時閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離ZH小于磨損閘瓦緊閘時閘瓦外側(cè)與傳感器的距離ZH1，閘瓦磨損值ZM可由下式計算：

ZM=ZH1-ZH

式中：ZH1為磨損閘瓦合閘時閘瓦外側(cè)與激光位移傳感器的距離。

3）彈簧疲勞監(jiān)測。彈簧疲勞是由于提升機制動閘經(jīng)常處于松閘和緊閘狀態(tài)，隨著運行的時間增加，碟形彈簧彈力會有所下降，從而導致制動力有所減弱。當制動力減小到規(guī)定值時，就要及時更換碟形彈簧[5]。正常彈簧松閘時，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算：

TP=ZS-ZS1

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

2 主井提升機閘間隙監(jiān)測控制系統(tǒng)

煤礦提升機閘間隙監(jiān)測系統(tǒng)主要是對盤型閘與制動盤之間的動態(tài)間隙進行實時監(jiān)測。在具體設(shè)計中，選擇PLC作為監(jiān)測系統(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。通過此系統(tǒng)可實時監(jiān)測閘瓦工作間隙、磨損值、彈簧疲勞等數(shù)據(jù)信息，在顯示屏上實時顯示，并實現(xiàn)自動報警或斷電。閘盤偏擺只做報警處理。

2.1 監(jiān)測保護裝置

監(jiān)測保護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)計算機、觸摸屏等組成。

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

系統(tǒng)采用S7-300系列PLC，CPU選擇313C-2DP，1個數(shù)字量輸入接口選擇SM321，用于初始調(diào)零設(shè)置和復位信號；1個數(shù)字量輸出接口選擇SM322，用于聲光報警；3個模擬量輸入接口選擇SM331，用于檢測盤形閘間隙等數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，供PLC使用[6]。系統(tǒng)工作時，PLC采集激光位移傳感器的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)值，通過前述計算公式，計算出監(jiān)測系統(tǒng)所需的數(shù)值，并在顯示屏上實時顯示出來，供司機隨時查看。當盤形閘與制動盤處在初始位置時顯示綠色值，監(jiān)測的實際工作值在規(guī)定值以內(nèi)時顯示為黃色值，當超過規(guī)定值（閘間隙保護值不得超過2 mm，閘偏擺值不得超過0.5 mm）時顯示為紅色值，且能夠自動聲光報警。

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、高精度測量，并采用了670 nm（1 mW）IEC和CDRH紅色2級可見激光發(fā)射管，利用三角測量方法，1 024像素CMOS圖像式接收元器件以及LH－ring軟件平臺支持。其系統(tǒng)測量精度可達1μm，分辨率0.1μm，滿量程線性度0.1%。LH傳感器可在多可達8～32個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)測控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、調(diào)零初始化、偏差計算、顯示、報警等功能[7]。通過程序，實現(xiàn)閘間隙計算、閘瓦磨損量的計算，一旦計算結(jié)果超出規(guī)定的值，系統(tǒng)發(fā)出報警型號[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 人機界面

系統(tǒng)設(shè)計采用人機界面（HMI）設(shè)計，用Wincc flexible組態(tài)軟件進行組態(tài)編程[9]，簡化設(shè)計流程，操作簡單，數(shù)據(jù)顯示畫面直觀清晰。通過PLC以變量為紐帶建立HMI與過程監(jiān)控之間的通訊，過程值通過輸入/輸出模塊存儲在PLC中，觸摸屏則通過訪問變量訪問PLC相應的存儲單元[10]，然后進行計算、判斷和處理等。該畫面具有實時檢測、參數(shù)初始化、傳感器投入/解除、報警值設(shè)置、報警試驗、報警等功能。系統(tǒng)人機界面（HMI）如圖4。

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

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗

系統(tǒng)調(diào)試是開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到監(jiān)測系統(tǒng)能否正常運行，檢測精度能否達到設(shè)計要求，顯示數(shù)據(jù)是否準確，系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行等一系列技術(shù)問題。調(diào)試過程主要按以下步驟進行：

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，要及時關(guān)閉供電電源斷路器開關(guān)，檢查供電線路、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)的檢測精度，一般檢測的初始距離為7.5 mm左右較為合適。在抱閘的情況下，調(diào)整各個傳感器位置，觀察實時數(shù)據(jù)畫面中1號區(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，提升機在緊閘停止狀態(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，啟動提升機，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。傳感器只有投入運行以后，才能監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示正常值。當某個傳感器發(fā)生故障時，顯示的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)非法值，此時，通過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）提升機運行以后，監(jiān)測系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)畫面全部顯示在顯示屏中，且所有數(shù)據(jù)都在實時更新，當超出規(guī)定的值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。通過畫面選擇按鈕，能夠選擇實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)初始化等功能。

4 結(jié)語

介紹了紅陽二礦主井提升機閘間隙監(jiān)測保護裝置技術(shù)改造和系統(tǒng)實現(xiàn)，礦井提升機制動系統(tǒng)是保障提升系統(tǒng)運行安全的重要設(shè)備。制動系統(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)中制動閘控制及保護是一個非常重要的環(huán)節(jié)。紅陽二礦主井提升機閘間隙監(jiān)測系統(tǒng)投入運行2年多，大大提升了制動系統(tǒng)的控制精度，縮短了故障處理時間，提高了礦井提升機工作的安全性和可靠性。