基于激光检测技术的红阳二矿主井提升机闸间隙监测系统

牟淑杰，王广录，宫喜波，施晓新

（1.营口理工学院 电气工程学院，辽宁 营口 115014；2.沈阳焦煤股份有限公司 红阳二矿，辽宁 沈阳 110101）

盘形闸是矿井提升机制动系统中最为关键的部件[1]，由于使用频繁，造成闸盘与制动盘之间产生磨损，使得间隙过大，而影响制动效果。根据2016版《煤矿安全规程》第四百二十六条第二项明确规定“盘形闸的闸瓦和闸盘之间的间隙不得超过2 mm”，并且在四百二十三条第六项规定“当闸瓦间隙超过规定值时，能报警并闭锁下次开车”[2]。因此，盘形闸工作间隙的监测与保护对提升机装置的安全运行具有十分重要的意义。

然而，通过对东北地区煤矿企业市场调研发现，目前大多数的煤矿提升机中都没有安装闸间隙保护装置，仍采用较为原始的保护开关作为安全保护，造成了保护措施不利，技术手段落后，控制精度不高，保护效果不明显，经常出现安全隐患。设计了一种矿井提升机闸间隙保护自动监测装置,该保护装置能够实时监测闸间隙、闸瓦磨损、弹簧疲劳等相关数据，且具有自动声光报警及断电保护功能[3]。

1 检测原理

监测系统主要对闸间隙、闸瓦磨损和弹簧疲劳进行检测。制动闸正常状态和闸瓦磨损及弹簧疲劳状态图如图1。

图1 制动闸正常状态和闸瓦磨损及弹簧疲劳状态图Fig.1 State diagram of brake normal state,brake shoe wear and spring fatigue

1）盘形闸闸间隙检测。盘形闸闸间隙是监测系统检测的重要指标，它是指提升机全松闸状态时，制动盘与闸瓦之间的间隙值[4]。该值可由下式计算：

ZJ=ZH-ZS

当闸瓦磨损时：ZJ=ZH-ZS+ZM

式中：ZJ为间隙值，mm；ZH为合闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离，mm；ZS为松闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离，mm；ZM为闸瓦磨损值，mm。

2）闸瓦磨损检测。闸瓦磨损是由于矿井提升机在运行过程中，经常处于减速制动状态，造成盘式制动闸闸瓦与制动盘之间不断摩擦，而使闸瓦产生机械磨损，厚度逐渐减小，闸间隙逐渐增大，不但造成制动力不均匀，且导致制动力有所下降，影响制动效果。正常闸瓦紧闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离ZH小于磨损闸瓦紧闸时闸瓦外侧与传感器的距离ZH1，闸瓦磨损值ZM可由下式计算：

ZM=ZH1-ZH

式中：ZH1为磨损闸瓦合闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离。

3）弹簧疲劳监测。弹簧疲劳是由于提升机制动闸经常处于松闸和紧闸状态，随着运行的时间增加，碟形弹簧弹力会有所下降，从而导致制动力有所减弱。当制动力减小到规定值时，就要及时更换碟形弹簧[5]。正常弹簧松闸时，闸瓦外侧与激光位移传感器的距离ZS大于疲劳弹簧松闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离ZS1，弹簧疲劳值可由下式计算：

TP=ZS-ZS1

式中：TP为弹簧疲劳值；ZS1为弹簧疲劳且开闸时闸瓦外侧与激光位移传感器的距离。

2 主井提升机闸间隙监测控制系统

煤矿提升机闸间隙监测系统主要是对盘型闸与制动盘之间的动态间隙进行实时监测。在具体设计中，选择PLC作为监测系统的核心控制器，激光位移传感器作为系统参数的检测。通过此系统可实时监测闸瓦工作间隙、磨损值、弹簧疲劳等数据信息，在显示屏上实时显示，并实现自动报警或断电。闸盘偏摆只做报警处理。

2.1 监测保护装置

监测保护装置的控制框图如图2。本系统由24只激光位移传感器、PLC及模拟量输入输出接口、工业计算机、触摸屏等组成。

图2 监测保护装置控制框图Fig.2 Control system of monitoring protection device

系统采用S7-300系列PLC，CPU选择313C-2DP，1个数字量输入接口选择SM321，用于初始调零设置和复位信号；1个数字量输出接口选择SM322，用于声光报警；3个模拟量输入接口选择SM331，用于检测盘形闸间隙等数据，转换成数字量，供PLC使用[6]。系统工作时，PLC采集激光位移传感器的现场测量数据值，通过前述计算公式，计算出监测系统所需的数值，并在显示屏上实时显示出来，供司机随时查看。当盘形闸与制动盘处在初始位置时显示绿色值，监测的实际工作值在规定值以内时显示为黄色值，当超过规定值（闸间隙保护值不得超过2 mm，闸偏摆值不得超过0.5 mm）时显示为红色值，且能够自动声光报警。

2.2 高精度激光位移传感器

采用了邦纳公司的LH系列高精度激光位移传感器。它主要用于短距离、高精度测量，并采用了670 nm（1 mW）IEC和CDRH红色2级可见激光发射管，利用三角测量方法，1 024像素CMOS图像式接收元器件以及LH－ring软件平台支持。其系统测量精度可达1μm，分辨率0.1μm，满量程线性度0.1%。LH传感器可在多可达8～32个LH传感器之间组网，且能稳定工作。

2.3 系统软件

监测控制系统的软件设计主要满足系统的数据采集、调零初始化、偏差计算、显示、报警等功能[7]。通过程序，实现闸间隙计算、闸瓦磨损量的计算，一旦计算结果超出规定的值，系统发出报警型号[8]。主程序流程图如图3。

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of main program

2.4 人机界面

系统设计采用人机界面（HMI）设计，用Wincc flexible组态软件进行组态编程[9]，简化设计流程，操作简单，数据显示画面直观清晰。通过PLC以变量为纽带建立HMI与过程监控之间的通讯，过程值通过输入/输出模块存储在PLC中，触摸屏则通过访问变量访问PLC相应的存储单元[10]，然后进行计算、判断和处理等。该画面具有实时检测、参数初始化、传感器投入/解除、报警值设置、报警试验、报警等功能。系统人机界面（HMI）如图4。

图4 人机界面（HMI）Fig.4 Human－computer interface（HMI）

3 系统调试与试验

系统调试是开发设计系统最为重要的环节，关系到监测系统能否正常运行，检测精度能否达到设计要求，显示数据是否准确，系统能否稳定运行等一系列技术问题。调试过程主要按以下步骤进行：

1）电源投入。先将断路器4合闸，控制电源送电。检查PLC各状态指示灯显示是否正常，显示屏各区域所显示的信息是否正常，各电源指示灯显示是否正常，如发现异常现象，要及时关闭供电电源断路器开关，检查供电线路、传感器等供电电源。

2）传感器位置的调整。传感器的位置非常重要，影响系统的检测精度，一般检测的初始距离为7.5 mm左右较为合适。在抱闸的情况下，调整各个传感器位置，观察实时数据画面中1号区域“探头间隙值”的数据显示，直至“探头间隙值”都显示为7.500 mm左右为止。

3）初始化数据。初始化数据分为紧闸初始化数据和松闸初始化数据，紧闸初始化数据是提升机在更换完新的闸片后，所有激光位移传感器间隙值调整完毕，提升机在紧闸停止状态，按下显示屏中的“全部初始化”按钮，即完成了紧闸初始化数据设定；松闸初始化数据是上述操作完成后，启动提升机，在全松闸的情况下，再次按下“全部初始化”按钮，即完成了松闸初始化数据设定[11]。初始化数值是作为零初值的重要参考依据。

4）传感器投入与解除。传感器只有投入运行以后，才能监测数据，显示正常值。当某个传感器发生故障时，显示的数据将出现非法值，此时，通过显示屏中的解除按钮解除该传感器的输入值，显示的数值将被闭锁。

5）提升机运行以后，监测系统的所有数据画面全部显示在显示屏中，且所有数据都在实时更新，当超出规定的值时，系统发出报警信号。通过画面选择按钮，能够选择实时数据、数据查询、参数设定、系统初始化等功能。

4 结语

介绍了红阳二矿主井提升机闸间隙监测保护装置技术改造和系统实现，矿井提升机制动系统是保障提升系统运行安全的重要设备。制动系统一旦出现故障，可能出现墩罐等重大事故，也极有可能造成人身伤亡，故在提升系统中制动闸控制及保护是一个非常重要的环节。红阳二矿主井提升机闸间隙监测系统投入运行2年多，大大提升了制动系统的控制精度，缩短了故障处理时间，提高了矿井提升机工作的安全性和可靠性。