制动系统管理平台在矿井提升机改造项目的应用

陈华新，刘贺伟，李娟娟，何雨丝

1平顶山天安煤业股份有限公司 河南平顶山 467099

2洛阳中重自动化工程有限责任公司 河南洛阳 471039

3华北科技学院 河北廊坊 065201

在竖井矿山生产过程中，提升系统担负设备、矿物、人员和物资运送任务，是连接井下与井上的关键通道。目前，国内煤矿矿井所使用的提升系统中，有相当一部分属于使用 10～30 a 甚至更久的老旧设备。随着矿山安全、高效开采要求的提高，以及智能化矿山建设的推进，提升机及制动装置的改造在各煤矿企业陆续推进，系统故障诊断和智能管理应用是降低停机率、消除安全隐患、提高生产效率的主要手段[1]。

依托平煤集团天安煤业某矿提升机制动系统改造项目，笔者开发了制动系统管理平台，并进行了工程应用。

1 项目介绍

平煤集团某矿使用 20 世纪 80 年代进口的德国GHH 成套提升机，设备类型为塔式 4×4 直联摩擦式提升机，包括主机、电控系统和液压制动系统。该提升机是主要的生产设备，每天工作超过 20 h，担负煤炭提升任务，工作负荷繁重。由于使用年限已久，制动系统可靠性下降，故障多发；制动装置及液压站基本没有检测元件，设备运行检查和维护全靠人员现场目视点检，不易排查发现隐患；设备运行健康状态未知，日常运行多出现偶发故障。以上情况给煤矿企业设备检修与维护造成较大的压力，影响企业生产效率，并构成安全隐患。提升机主要参数如表1 所列。

表1 提升机主要参数Tab.1 Main parameters of hoist

2 设备改造及平台建设方案

制动系统改造包括液压站、制动装置、控制柜、闸监测装置、相关监测和传感接口装置等。

2.1 液压站

将原液压站改造为具备故障自诊断功能的冗余回路恒减速液压站。新液压站配置系统压力、温度、液位及油液污染度监测传感元件，可实时在线监控液压系统运行状态；具备阀芯监控等关键液压元件动作监视功能，通过逻辑判断，诊断和评估液压系统故障；具备蓄能器油压、气压监测及自动充压保护功能，确保满足系统安全制动过程中油压调节的需求[2]。

2.2 制动装置

将原制动器改造为新型盘式制动器，如图1 所示。新制动器动作灵活，滞环小，响应快，线性度高，适应恒减速电液制动过程中高频度、高精度的控制要求；同时，采用新型闸瓦和碟簧，进一步提高了制动力矩安全系数。

图1 新型盘式制动器Fig.1 New-type disc brake

2.3 闸监测装置

每组制动装置加装一个闸监测箱，箱内配置通信模块，将监测信号传输给上位一体机内的主站。每组制动器安装一套传感器，完成相关变量(油压、闸间隙、闸盘温度、制动盘偏摆)的采集。监测箱内的模拟量模块及通信模块接收和传递信号，并将上述变量信号发送至上位一体机和管理平台。

2.4 测速机编码装置

为监测提升机运行状态，并为制动系统执行程序提供工况依据，新增测速编码一体机来监测提升机运行速度、位置，以便程序判断是否执行安全制动及执行何种级别的安全制动。为保证测速信号稳定，制动盘内圆现场车削加工，测速机及编码器均采用双路冗余设计，以确保其可靠性。

2.5 制动系统管理平台及其控制柜

新增制动系统管理平台及其主控柜一套。控制柜包括 PLC、模拟量和数字量输入输出模块、电源系统、隔离模块、液压站控制模块、闸监测控制模块、触摸屏等组件。管理平台总体框图如图2 所示。

图2 管理平台结构框图Fig.2 Block diagram of governing platform

3 软件设计

系统管理平台主要功能包括性能评估、故障监测、安全测试、制动试验、参数设置、记录查询等。

(1)故障监测及报警 触摸屏显示各种动态监测数值，包括闸盘温度、间隙、偏摆、制动油压、液压站油压、油温、液位及油泵电流、油液污染度，以及上述参数异常时发出的应急处置信号。

(2)参数设置 依托人机交互界面，在触摸屏上实现对系统相关参数的设置和修改，如闸间隙限定值、偏摆最大值、开合闸油压、加热及冷却系统开启条件限值、液位、油液污染度的报警值，以及其他系统参数。

(3)性能衰减评估 完成制动装置、制动盘、液压站以及各关键元器件性能衰减程度的评估，以柱状图形式显示相关性能指标，设置对应的故障报警指示灯[3]。

(4)安全测试试验模块 完成制动装置测试试验性能衰减分析，以曲线图形式显示状态性能，以及是否达到性能衰减限定值，并进行相关评估诊断。

(5)数据记录查询 完成制动装置、制动盘、液压站、提升机关键运行参数的存储记录和查看。

4 管理平台测试与应用

4.1 制动系统管理平台

提升机制动系统管理平台的主界面如图3 所示，主要设置提升机运行状态、液压站、制动装置、电源、系统故障与报警、运行趋势等单元模块。主页显示提升机运行状态和制动系统运行参数等关键信息，其他各子系统的性能指标，以及制动装置监测参数、故障报警指示等，可通过触摸对应图标切换至相应模块的显示窗口。

图3 制动系统管理平台主界面Fig.3 Main interface of braking system governing platform

4.2 制动装置监测

智能监控系统主画面如图4 所示。在该界面，可以查看每个制动单元(间隙传感器、温度传感器、偏摆传感器)对应的监控数值及其运行趋势图，分析性能指标及健康状态，提醒维护人员执行加强设备监护、调整制动器间隙、更换碟簧或密封等操作。

图4 制动装置监测界面Fig.4 Monitoring interface for braking device

4.3 监测控制模块

该模块显示提升机制动装置主要的监测参数及故障报警，包括闸瓦间隙、闸盘偏摆、液压站油压等。故障报警指示灯全部为绿色，说明各主要监测参数均在正常范围内，制动装置运行正常；指示灯变为红色，说明数据异常，提示应检修、调整或更换相关部件。

4.4 安全测试与恒减速制动试验

为确保制动系统始终处于良好工作状态，安全制动功能完备，需定期对提升机制动系统进行试验，测试系统安全。

恒减速制动试验(见图 5)可以测试系统恒减速制动功能是否正常、制动减速时间、速度偏差等，并可根据测试数据评测蓄能器、比例阀、测速装置及控制板性能；同时计算减速度，并将其与防滑验算对比，评判系统紧急制动时是否会滑绳，为调整提升系统运行参数提供依据。

图5 恒减速制动测试Fig.5 Test for constant deceleration braking

安全测试显示制动装置在健康状态下和测试试验时的曲线以及性能衰减[4]评估结果，如图6 所示。

图6 安全测试试验界面Fig.6 Interface of security test

从图6 可知，制动装置性能得分为 0.95，接近于1，性能评估结果指示为绿色，制动装置工作性能在正常范围内，暂不需要进行故障诊断。

5 结语

提升机制动系统管理平台集成流量制动装置、制动盘、液压站、提升机运行状态监测和自身健康状况评估功能，可以实时监测运行数据并分析制动装置、液压站以及各传感器的性能衰减程度；可以定期进行安全制动试验，并根据试验数据进行性能评估和故障诊断；解决了老提升设备制动系统监控不完善，制动器装置、液压站、电控系统等部件相对孤立，无法集中统一监控管理等问题；实现了制动系统信息全覆盖的综合监控评价，对实现制动系统的智能维护、保障提升系统安全高效运行，具有重要意义。