制動系統管理平臺在礦井提升機改造項目的應用

陳華新，劉賀偉，李娟娟，何雨絲

1平頂山天安煤業股份有限公司 河南平頂山 467099

2洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

3華北科技學院 河北廊坊 065201

在豎井礦山生產過程中，提升系統擔負設備、礦物、人員和物資運送任務，是連接井下與井上的關鍵通道。目前，國內煤礦礦井所使用的提升系統中，有相當一部分屬于使用 10～30 a 甚至更久的老舊設備。隨著礦山安全、高效開采要求的提高，以及智能化礦山建設的推進，提升機及制動裝置的改造在各煤礦企業陸續推進，系統故障診斷和智能管理應用是降低停機率、消除安全隱患、提高生產效率的主要手段[1]。

依托平煤集團天安煤業某礦提升機制動系統改造項目，筆者開發了制動系統管理平臺，并進行了工程應用。

1 項目介紹

平煤集團某礦使用 20 世紀 80 年代進口的德國GHH 成套提升機，設備類型為塔式 4×4 直聯摩擦式提升機，包括主機、電控系統和液壓制動系統。該提升機是主要的生產設備，每天工作超過 20 h，擔負煤炭提升任務，工作負荷繁重。由于使用年限已久，制動系統可靠性下降，故障多發；制動裝置及液壓站基本沒有檢測元件，設備運行檢查和維護全靠人員現場目視點檢，不易排查發現隱患；設備運行健康狀態未知，日常運行多出現偶發故障。以上情況給煤礦企業設備檢修與維護造成較大的壓力，影響企業生產效率，并構成安全隱患。提升機主要參數如表1 所列。

表1 提升機主要參數Tab.1 Main parameters of hoist

2 設備改造及平臺建設方案

制動系統改造包括液壓站、制動裝置、控制柜、閘監測裝置、相關監測和傳感接口裝置等。

2.1 液壓站

將原液壓站改造為具備故障自診斷功能的冗余回路恒減速液壓站。新液壓站配置系統壓力、溫度、液位及油液污染度監測傳感元件，可實時在線監控液壓系統運行狀態；具備閥芯監控等關鍵液壓元件動作監視功能，通過邏輯判斷，診斷和評估液壓系統故障；具備蓄能器油壓、氣壓監測及自動充壓保護功能，確保滿足系統安全制動過程中油壓調節的需求[2]。

2.2 制動裝置

將原制動器改造為新型盤式制動器，如圖1 所示。新制動器動作靈活，滯環小，響應快，線性度高，適應恒減速電液制動過程中高頻度、高精度的控制要求；同時，采用新型閘瓦和碟簧，進一步提高了制動力矩安全系數。

圖1 新型盤式制動器Fig.1 New-type disc brake

2.3 閘監測裝置

每組制動裝置加裝一個閘監測箱，箱內配置通信模塊，將監測信號傳輸給上位一體機內的主站。每組制動器安裝一套傳感器，完成相關變量(油壓、閘間隙、閘盤溫度、制動盤偏擺)的采集。監測箱內的模擬量模塊及通信模塊接收和傳遞信號，并將上述變量信號發送至上位一體機和管理平臺。

2.4 測速機編碼裝置

為監測提升機運行狀態，并為制動系統執行程序提供工況依據，新增測速編碼一體機來監測提升機運行速度、位置，以便程序判斷是否執行安全制動及執行何種級別的安全制動。為保證測速信號穩定，制動盤內圓現場車削加工，測速機及編碼器均采用雙路冗余設計，以確保其可靠性。

2.5 制動系統管理平臺及其控制柜

新增制動系統管理平臺及其主控柜一套。控制柜包括 PLC、模擬量和數字量輸入輸出模塊、電源系統、隔離模塊、液壓站控制模塊、閘監測控制模塊、觸摸屏等組件。管理平臺總體框圖如圖2 所示。

圖2 管理平臺結構框圖Fig.2 Block diagram of governing platform

3 軟件設計

系統管理平臺主要功能包括性能評估、故障監測、安全測試、制動試驗、參數設置、記錄查詢等。

(1)故障監測及報警 觸摸屏顯示各種動態監測數值，包括閘盤溫度、間隙、偏擺、制動油壓、液壓站油壓、油溫、液位及油泵電流、油液污染度，以及上述參數異常時發出的應急處置信號。

(2)參數設置 依托人機交互界面，在觸摸屏上實現對系統相關參數的設置和修改，如閘間隙限定值、偏擺最大值、開合閘油壓、加熱及冷卻系統開啟條件限值、液位、油液污染度的報警值，以及其他系統參數。

(3)性能衰減評估 完成制動裝置、制動盤、液壓站以及各關鍵元器件性能衰減程度的評估，以柱狀圖形式顯示相關性能指標，設置對應的故障報警指示燈[3]。

(4)安全測試試驗模塊 完成制動裝置測試試驗性能衰減分析，以曲線圖形式顯示狀態性能，以及是否達到性能衰減限定值，并進行相關評估診斷。

(5)數據記錄查詢 完成制動裝置、制動盤、液壓站、提升機關鍵運行參數的存儲記錄和查看。

4 管理平臺測試與應用

4.1 制動系統管理平臺

提升機制動系統管理平臺的主界面如圖3 所示，主要設置提升機運行狀態、液壓站、制動裝置、電源、系統故障與報警、運行趨勢等單元模塊。主頁顯示提升機運行狀態和制動系統運行參數等關鍵信息，其他各子系統的性能指標，以及制動裝置監測參數、故障報警指示等，可通過觸摸對應圖標切換至相應模塊的顯示窗口。

圖3 制動系統管理平臺主界面Fig.3 Main interface of braking system governing platform

4.2 制動裝置監測

智能監控系統主畫面如圖4 所示。在該界面，可以查看每個制動單元(間隙傳感器、溫度傳感器、偏擺傳感器)對應的監控數值及其運行趨勢圖，分析性能指標及健康狀態，提醒維護人員執行加強設備監護、調整制動器間隙、更換碟簧或密封等操作。

圖4 制動裝置監測界面Fig.4 Monitoring interface for braking device

4.3 監測控制模塊

該模塊顯示提升機制動裝置主要的監測參數及故障報警，包括閘瓦間隙、閘盤偏擺、液壓站油壓等。故障報警指示燈全部為綠色，說明各主要監測參數均在正常范圍內，制動裝置運行正常；指示燈變為紅色，說明數據異常，提示應檢修、調整或更換相關部件。

4.4 安全測試與恒減速制動試驗

為確保制動系統始終處于良好工作狀態，安全制動功能完備，需定期對提升機制動系統進行試驗，測試系統安全。

恒減速制動試驗(見圖 5)可以測試系統恒減速制動功能是否正常、制動減速時間、速度偏差等，并可根據測試數據評測蓄能器、比例閥、測速裝置及控制板性能；同時計算減速度，并將其與防滑驗算對比，評判系統緊急制動時是否會滑繩，為調整提升系統運行參數提供依據。

圖5 恒減速制動測試Fig.5 Test for constant deceleration braking

安全測試顯示制動裝置在健康狀態下和測試試驗時的曲線以及性能衰減[4]評估結果，如圖6 所示。

圖6 安全測試試驗界面Fig.6 Interface of security test

從圖6 可知，制動裝置性能得分為 0.95，接近于1，性能評估結果指示為綠色，制動裝置工作性能在正常范圍內，暫不需要進行故障診斷。

5 結語

提升機制動系統管理平臺集成流量制動裝置、制動盤、液壓站、提升機運行狀態監測和自身健康狀況評估功能，可以實時監測運行數據并分析制動裝置、液壓站以及各傳感器的性能衰減程度；可以定期進行安全制動試驗，并根據試驗數據進行性能評估和故障診斷；解決了老提升設備制動系統監控不完善，制動器裝置、液壓站、電控系統等部件相對孤立，無法集中統一監控管理等問題；實現了制動系統信息全覆蓋的綜合監控評價，對實現制動系統的智能維護、保障提升系統安全高效運行，具有重要意義。