架空乘人装置断绳抓捕保护系统的设计

李 伟， 原韶森

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046600）

引言

煤矿安全生产一直以来备受作业人员和企业的关注。煤矿的运输对象包括煤炭、矸石、设备及人员等。其中，针对煤炭、矸石以长距离、大运量及高运速以带式输送机为主；针对设备以提升机为主；针对人员的运输可以采用提升机、架空乘人装置。架空乘人装置作为辅助运输设备，其主要针对斜井、斜巷及平巷矿井开采时人员的运输。在实际生产中，架空乘人装置常见的故障类型包括越位，抱索器打滑，钢丝绳脱落、断裂，过速及大幅度摆动等[1]。本文针对架空乘人装置的保护系统进行重点设计。

1 架空乘人装置保护系统概述

架空乘人装置作为煤矿运输的辅助运输设备，其可有效解决作业人员从地面至工作面远距离乘坐的问题，主要适用于斜井、平巷等矿井开采人员的运输。目前，架空乘人装置保护系统以机械安全保护和电控保护为主。其中，机械安全保护顾名思义为机械性保护装置，其主要包括闸盘制动保护、液压制动保护和吊椅制动保护；电控保护的核心理念为根据架空乘人装置的运行状态并结合理想运行工况，综合判定是否需对设备进行保护，该保护措施能够实现对架空乘人装置的预防保护[2]。

经调查研究可知，当前针对架空乘人装置主要保护的对象及类型包括对架空乘人装置的越位保护（机头、机尾）、飞车保护、吊椅的大幅度摆动保护及紧急制动保护。结合2011 年我国煤炭行业针对架空乘人装置发布的相关标准和规范，要求架空乘人装置保护系统应满足如下保护功能：架空乘人保护装置可实现对设备全程的紧急停车保护；架空乘人保护装置可实现对设备机头或机尾可能出现越位的保护；架空乘人保护装置可实现对其所牵引钢丝绳的偏移、掉绳的保护；架空乘人保护装置具备对尾轮限位的保护；架空乘人保护装置具备对下限保护的功能；架空乘人保护装置具备对设备出现速度超限的保护；架空乘人保护装置可对其变速箱、驱动电机温度超限进行保护；架空乘人保护装置可对变速器内润滑油的液位不足等进行保护；架空乘人保护装置可对设备钢丝绳断裂的现象进行紧急制动保护。

针对架空乘人装置保护系统主要采用上位机与下位机相结合的方式进行故障获取、故障分析以及故障对策三方面的操作，主要采用相应传感器对不同故障的特征参数进行获取，并通过PLC 控制器对所采集的数据进行分析，从而得出相应的故障保护策略[3]。一般故障保护涉及的相关硬件，见表1。

表1 架空乘人装置保护系统关键硬件

综上，目前架空乘人装置保护系统针对其存在一般故障问题均能够起到有效的保护作用。但是，针对架空乘人装置钢丝绳的保护还尚未成熟。因此，本文将重点针对架空乘人装置钢丝绳缺乏断绳保护功能进行设计。

2 断绳抓捕保护系统的设计

鉴于煤矿生产环境相对恶劣，要求应用于煤矿的设备均具备“防爆合格证”“煤安证”及“合格证”。针对架空乘人装置断绳保护系统，首先需满足防爆的性能，借鉴其他保护系统针对钢丝绳断绳抓捕保护系统基于PLC 控制器为核心，对钢丝绳张力、位移等特征参数进行检测判断后，拟采用断绳抓捕器对钢丝绳进行抓捕。因此，针对架空乘人装置断绳抓捕系统的核心为断绳抓捕器、钢丝绳状态特征参数的获取及指令的执行。

2.1 断绳抓捕器的设计

传统断绳抓捕器在实际应用中存在抱索力过大导致钢丝绳被截断的问题，导致二次断绳事故的发生。为解决此类问题，在传统断绳抓捕器的基础上新增一个伺服电机，避免断绳抓捕器突然收缩所引发的抱索力过大导致的钢丝绳断裂的问题[4]。

结合上述设计理念，本文所设计断绳抓捕器的结构如图1 所示。

图1 断绳抓捕器结构示意图

2.2 断绳抓捕系统关键硬件的选型

断绳抓捕器的正确动作和抓捕效果在很大程度上受制于对钢丝绳运行状态特征参数的获取，主要是对安全闸之间的间隙和钢丝绳张力的检测，涉及的传感器包括位移传感器和张力传感器，各传感器的选型结果及参数见表2。

表2 断绳抓捕系统关键传感器选型

2.3 断绳抓捕系统的软件设计

同样，架空乘人装置断绳抓捕系统的核心控制器为S7-300 型PLC 控制器，而对架空乘人装置保护系统中的监控从站所采用PLC 控制器的类型为S7-200 型[5]。具体控制流程为：对张力传感器和位移传感器的数据进行采集，判断是否应该运行断带抓捕器。控制流程如图2 所示。

图2 断带抓捕系统控制流程图

3 结论

1）采用S7-300 型PLC 控制器为核心对钢丝绳的断绳抓捕进行控制；

2）在传统断绳抓捕器的基础上新增伺服电机，解决抱索力过大导致二次事故发生的问题；

3）完成对断绳抓捕系统涉及的关键传感器和控制流程的设计。