斜井架空乘人装置安全保护监控系统的设计

王晓强

(山西兰花科技创业股份有限公司 望云煤矿分公司，山西 晋城 048400)

0 引言

煤炭是中国能源结构体系中重要的基础能源，为顺应国民经济的快速发展，国家每年需要开采大量的煤炭资源[1]。架空乘人装置是煤矿开采中重要的辅助运输装备，其主要作用是运送煤矿工作人员，相当于是工作人员的交通工具，架空乘人装置的使用显著缩短了煤矿工人上下班的时间[2-3]，进而提升了煤矿的作业效率。由于该装置是输送工作人员，所以其安全性能相对较高，必须做到万无一失[4]。如果出现故障问题，轻则给煤矿企业造成一定的经济损失，重则可能引发严重的人员伤亡安全事件[5]。但是很长一段时间以来，煤矿企业都将更多的精力和财力运用在煤矿井下开采设备上，因为这些设备可以显著提升煤矿开采的效率，为煤矿企业创造更大的经济效益[6]。而由于架空乘人装置的投入和效益比不显著，因此对其安全关注程度并不是非常高[7]。使得很多煤矿的斜井架空乘人装置及其配套的安全保护监控系统无法满足实际使用需要，存在较大的安全隐患[8-9]。文中在分析斜井架空乘人装置实际运行状态的基础上，设计研究了安全保护监控系统，能够有效保障矿井工作人员的安全。对于提升矿井的信息化和自动化水平，保障矿井安全具有重要的实践意义。

1 安全保护监控系统的总体结构设计

1.1 系统的功能需求分析

对斜井架空乘人装置运行状态进行深入分析，提出安全保护监控系统的主要功能包含2个方面[10]：第一，对上车和下车人员进行自动检测，如果无人乘坐装置时，装置将会处于待机状态，以降低电能的消耗，避免不必要的能源消耗，为企业节省成本。如果检测有人员上车时，系统就会开始运行，将人员运送到指定的地点；第二，系统可以对架空乘人装置运行过程中的各种故障问题进行自动检测，发现问题后能够马上对装置做停车处理，并发出声音警报，提示相关人员出现了安全问题，这样可以及时消除安全隐患。

1.2 系统总体结构方案设计

图1为斜井架空乘人装置安全保护监控系统整体结构方案，从图1可以看出整个系统由多部分构成，根据不同硬件设备的功能，可以将其划分成为4个层级，分别为现场仪表、设备层、控制层和管理层。现场仪表主要包括使用的各类传感器以及信号检测系统，功能是对装置和设备的运行状态进行实时检测；设备层主要是需要被重点监测的设备对象，主要包括电机、滚筒以及制动机油站等；控制层主要包括变频器和控制器，作用是对架空乘人装置进行控制；管理层主要包含操作台、控制面板等，通过操作台可以对架空乘人装置进行设置和控制。不同层级发挥不同的功能，共同构成了整个安全保护监控系统。

图1 斜井架空乘人装置安全保护监控系统整体结构Fig.1 Overall structure of safety protection monitoring system for inclined shaft overhead passenger device

2 系统硬件选型与设计

2.1 PLC控制器的选型

控制系统由多个部分构成，最核心的是PLC控制器和变频器，此外还包括本案电源、操作台、控制箱等硬件。PLC控制器的作用是对架空乘人装置进行控制，因此控制器的性能对整个监控系统的优劣有决定性的影响，应该选用运算能力满足要求的PLC控制器。在充分考虑矿井实际使用需要的基础上，系统选用三菱公司设计生产制造的型号为FX2N-64MT-001的PLC控制器。该型号PLC控制器可以划分成多个模块，其中主要模块包括CPU模块、存储模块、电源模块和I/O接口模块。其中CPU模块主要承担数据的分析与处理工作，存储模块主要负责数据信息的储存，电源模块负责控制器电能的供应，接口模块负责数据信息的输入与输出[11]。PLC内部通过总线结构实现各种指令和数据信息的传输。

2.2 变频器的选型

变频器需要接受PLC的控制，作用是根据矿井实际使用需要输出不同的电压频率，实现架空乘人装置的启动、停止及其速度控制。系统中选用由三菱公司设计制造的型号为FR-F740-0.75K-CHT的变频器。实践表明，该信号变频器性能优越，能够适应不同的应用场景[12]。变频器的输出功率可以控制在0.75～630 kW范围内，采用磁通矢量控制模式，节能效果非常显著。变频器内部设置PID控制器和独立的RS485通信接口，能够和其他装置进行连接，实现数据信息的交换。

2.3 控制箱的设计

PLC控制器、变频器等电气元件全部放置在控制箱内部，可以对控制箱进行编程，实现设计者想要的功能。控制箱与各类传感器直接连接可以对传感器内存中存储的数据进行读取，并对这些采集到的状态数据信号进行分析、比较。基于处理结果，控制箱可以对斜井架空乘人装置的运行参数进行控制，确保其运行安全。控制箱中配有显示器，可以显示各种传感器采集到的数据信息，工作人员就可以直观地了解设备运行状态。

3 系统软件程序设计

图2为安全保护监控系统的软件程序流程。系统开始工作后，进行初始化处理，确保一切正常后，如果没有特殊操作，系统按照预定的自动控制程序运行。在机头和机尾部设置有红外传感器，可以甄别人员的上下车情况。当无人乘坐时，架空乘人装置将会处于待机状态，以节省能源；当检测到有人员上车时，PLC控制系统就会下达启动指令，设备开始运行。基于数字量计数器，控制系统可以对上车和下车的人员数量进行统计，计算乘坐人员总量。架空乘人装置运行时间受距离和速度的影响，当有多人同时需要乘车时，能够检测到最后一位人员上车后才会启动设备；同样地，在停车阶段，当检测到最后一位人员下车后，控制系统会延迟一段时间再对设备下达停车指令。

图2 安全保护监控系统的软件程序流程Fig.2 Software program flow chart of safety protection monitoring system

系统运行过程中，各类传感器会对架空乘人装置的运行状态进行检测，并将检测得到的信息传输到PLC控制器中进行分析和处理。一旦控制器发现架空乘人装置的运行状态存在安全隐患时，控制系统就会发出声音警报，然后再下达停车指令。当需要对架空乘人装置进行检修时，可以在控制系统中将控制模式切换到检修模式，此时可以切断PLC控制器与各类装置之间的连接，工作人员在现场对装置进行控制。

4 系统保护功能实现

4.1 机头和机尾越位保护

越位保护主要通过行程开关实现，在架空乘人装置的机头和机尾部位分别设置有越位点，乘坐人员如果发现超过了越位点时，可通过手动方式触发行程开关。行程开关会将相关越位信号传输到PLC控制系统中，控制系统下达紧急停车指令和声音报警指令，通过喇叭播放越位信息。相关人员听到声音警报后，做出相应的处理，确保人身安全。

4.2 掉绳和断绳保护

架空乘人装置在使用过程中，如果长时间不对其进行检修，就可能出现掉绳甚至断绳的情况。出现这种情况时，钢丝绳的运行速度会出现异常，可以通过速度传感器对钢丝绳的运行速度进行检测。如果发现钢丝绳速度存在异常，保护系统就会启动机械捕绳器，对钢丝绳进行制动处理。同时还会下达声音报警指令，通过广播的形式通知相关人员出现掉绳或断绳的情况，避免不知情人员继续上车，构成人身安全威胁。

4.3 打滑保护

打滑保护装置中用到的传感器主要包括速度传感器和霍尔传感器。霍尔传感器的作用是对滚筒的转动速度进行检测，进而计算得到滚筒表面的线速度。并将其与通过速度传感器得到的钢丝绳运行速度进行比较，如果两者之间差异不大，说明不存在打滑现象；如果两者之间差异较大，说明存在打滑现象。此时将相关信息传输到PLC控制系统中，控制系统下达指令对架空乘人装置进行停车处理，同时通过广播系统进行故障报警。

4.4 重锤下限位保护

钢丝绳长时间受到拉力作用时其长度会被慢慢拉长，最终导致重锤下限位置出现变化。当重锤与地面之间的距离小于20 cm时，就存在安全隐患。所以系统中设定重锤与地面之间的距离至少为20 cm，如果超过了该界限就会触发限位保护装置，相关信息传输到PLC控制系统中。控制系统做出响应，对架空乘人装置进行停车处理，同时发出声音警报。

4.5 减速机油位和油温报警装置

对于架空乘人装置，减速机在确保其安全方面发挥着重要作用。通过油位传感器和温度传感器对减速机内的油位和油温进行实时检测。如果发现油位过低或油温过高，系统会下达指令停止运行，同时发出警报。

4.6 速度保护

滚筒的转动速度可以反映架空乘人装置的运行速度。前文已述，可以通过霍尔传感器检测滚筒的转动速度，进而计算得到装置的运行速度。装置的运行速度过低或过快时都被认为是异常信号，此时系统会控制架空乘人装置停止运行，同时发出速度过慢或过快的声音警报。

5 结论

斜井架空乘人装置作为煤矿中的辅助运输系统，主要作用是运送工作人员进出矿井，因此必须具有非常高的安全性。在分析架空乘人装置运行状况的基础上设计研究了安全保护监控系统，监控系统可以自动识别人员的上车和下车情况，进而自动控制装置的运行和待机，以节省电能消耗。另外还设置了各种保护功能，对于架空乘人装置运行过程中可能出现的故障问题，能够进行自动识别和检测。一旦发现问题可以立即发出声音警报并对装置作停车处理，确保乘坐人员的人身安全。斜井架空乘人装置安全保护监控系统应用，能够有效提升矿井辅助运输系统的安全性。