斜井架空乘人裝置安全保護監控系統的設計

王曉強

(山西蘭花科技創業股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 晉城 048400)

0 引言

煤炭是中國能源結構體系中重要的基礎能源，為順應國民經濟的快速發展，國家每年需要開采大量的煤炭資源[1]。架空乘人裝置是煤礦開采中重要的輔助運輸裝備，其主要作用是運送煤礦工作人員，相當于是工作人員的交通工具，架空乘人裝置的使用顯著縮短了煤礦工人上下班的時間[2-3]，進而提升了煤礦的作業效率。由于該裝置是輸送工作人員，所以其安全性能相對較高，必須做到萬無一失[4]。如果出現故障問題，輕則給煤礦企業造成一定的經濟損失，重則可能引發嚴重的人員傷亡安全事件[5]。但是很長一段時間以來，煤礦企業都將更多的精力和財力運用在煤礦井下開采設備上，因為這些設備可以顯著提升煤礦開采的效率，為煤礦企業創造更大的經濟效益[6]。而由于架空乘人裝置的投入和效益比不顯著，因此對其安全關注程度并不是非常高[7]。使得很多煤礦的斜井架空乘人裝置及其配套的安全保護監控系統無法滿足實際使用需要，存在較大的安全隱患[8-9]。文中在分析斜井架空乘人裝置實際運行狀態的基礎上，設計研究了安全保護監控系統，能夠有效保障礦井工作人員的安全。對于提升礦井的信息化和自動化水平，保障礦井安全具有重要的實踐意義。

1 安全保護監控系統的總體結構設計

1.1 系統的功能需求分析

對斜井架空乘人裝置運行狀態進行深入分析，提出安全保護監控系統的主要功能包含2個方面[10]：第一，對上車和下車人員進行自動檢測，如果無人乘坐裝置時，裝置將會處于待機狀態，以降低電能的消耗，避免不必要的能源消耗，為企業節省成本。如果檢測有人員上車時，系統就會開始運行，將人員運送到指定的地點；第二，系統可以對架空乘人裝置運行過程中的各種故障問題進行自動檢測，發現問題后能夠馬上對裝置做停車處理，并發出聲音警報，提示相關人員出現了安全問題，這樣可以及時消除安全隱患。

1.2 系統總體結構方案設計

圖1為斜井架空乘人裝置安全保護監控系統整體結構方案，從圖1可以看出整個系統由多部分構成，根據不同硬件設備的功能，可以將其劃分成為4個層級，分別為現場儀表、設備層、控制層和管理層?，F場儀表主要包括使用的各類傳感器以及信號檢測系統，功能是對裝置和設備的運行狀態進行實時檢測；設備層主要是需要被重點監測的設備對象，主要包括電機、滾筒以及制動機油站等；控制層主要包括變頻器和控制器，作用是對架空乘人裝置進行控制；管理層主要包含操作臺、控制面板等，通過操作臺可以對架空乘人裝置進行設置和控制。不同層級發揮不同的功能，共同構成了整個安全保護監控系統。

圖1 斜井架空乘人裝置安全保護監控系統整體結構Fig.1 Overall structure of safety protection monitoring system for inclined shaft overhead passenger device

2 系統硬件選型與設計

2.1 PLC控制器的選型

控制系統由多個部分構成，最核心的是PLC控制器和變頻器，此外還包括本案電源、操作臺、控制箱等硬件。PLC控制器的作用是對架空乘人裝置進行控制，因此控制器的性能對整個監控系統的優劣有決定性的影響，應該選用運算能力滿足要求的PLC控制器。在充分考慮礦井實際使用需要的基礎上，系統選用三菱公司設計生產制造的型號為FX2N-64MT-001的PLC控制器。該型號PLC控制器可以劃分成多個模塊，其中主要模塊包括CPU模塊、存儲模塊、電源模塊和I/O接口模塊。其中CPU模塊主要承擔數據的分析與處理工作，存儲模塊主要負責數據信息的儲存，電源模塊負責控制器電能的供應，接口模塊負責數據信息的輸入與輸出[11]。PLC內部通過總線結構實現各種指令和數據信息的傳輸。

2.2 變頻器的選型

變頻器需要接受PLC的控制，作用是根據礦井實際使用需要輸出不同的電壓頻率，實現架空乘人裝置的啟動、停止及其速度控制。系統中選用由三菱公司設計制造的型號為FR-F740-0.75K-CHT的變頻器。實踐表明，該信號變頻器性能優越，能夠適應不同的應用場景[12]。變頻器的輸出功率可以控制在0.75～630 kW范圍內，采用磁通矢量控制模式，節能效果非常顯著。變頻器內部設置PID控制器和獨立的RS485通信接口，能夠和其他裝置進行連接，實現數據信息的交換。

2.3 控制箱的設計

PLC控制器、變頻器等電氣元件全部放置在控制箱內部，可以對控制箱進行編程，實現設計者想要的功能?？刂葡渑c各類傳感器直接連接可以對傳感器內存中存儲的數據進行讀取，并對這些采集到的狀態數據信號進行分析、比較。基于處理結果，控制箱可以對斜井架空乘人裝置的運行參數進行控制，確保其運行安全?？刂葡渲信溆酗@示器，可以顯示各種傳感器采集到的數據信息，工作人員就可以直觀地了解設備運行狀態。

3 系統軟件程序設計

圖2為安全保護監控系統的軟件程序流程。系統開始工作后，進行初始化處理，確保一切正常后，如果沒有特殊操作，系統按照預定的自動控制程序運行。在機頭和機尾部設置有紅外傳感器，可以甄別人員的上下車情況。當無人乘坐時，架空乘人裝置將會處于待機狀態，以節省能源；當檢測到有人員上車時，PLC控制系統就會下達啟動指令，設備開始運行?；跀底至坑嫈灯?，控制系統可以對上車和下車的人員數量進行統計，計算乘坐人員總量。架空乘人裝置運行時間受距離和速度的影響，當有多人同時需要乘車時，能夠檢測到最后一位人員上車后才會啟動設備；同樣地，在停車階段，當檢測到最后一位人員下車后，控制系統會延遲一段時間再對設備下達停車指令。

圖2 安全保護監控系統的軟件程序流程Fig.2 Software program flow chart of safety protection monitoring system

系統運行過程中，各類傳感器會對架空乘人裝置的運行狀態進行檢測，并將檢測得到的信息傳輸到PLC控制器中進行分析和處理。一旦控制器發現架空乘人裝置的運行狀態存在安全隱患時，控制系統就會發出聲音警報，然后再下達停車指令。當需要對架空乘人裝置進行檢修時，可以在控制系統中將控制模式切換到檢修模式，此時可以切斷PLC控制器與各類裝置之間的連接，工作人員在現場對裝置進行控制。

4 系統保護功能實現

4.1 機頭和機尾越位保護

越位保護主要通過行程開關實現，在架空乘人裝置的機頭和機尾部位分別設置有越位點，乘坐人員如果發現超過了越位點時，可通過手動方式觸發行程開關。行程開關會將相關越位信號傳輸到PLC控制系統中，控制系統下達緊急停車指令和聲音報警指令，通過喇叭播放越位信息。相關人員聽到聲音警報后，做出相應的處理，確保人身安全。

4.2 掉繩和斷繩保護

架空乘人裝置在使用過程中，如果長時間不對其進行檢修，就可能出現掉繩甚至斷繩的情況。出現這種情況時，鋼絲繩的運行速度會出現異常，可以通過速度傳感器對鋼絲繩的運行速度進行檢測。如果發現鋼絲繩速度存在異常，保護系統就會啟動機械捕繩器，對鋼絲繩進行制動處理。同時還會下達聲音報警指令，通過廣播的形式通知相關人員出現掉繩或斷繩的情況，避免不知情人員繼續上車，構成人身安全威脅。

4.3 打滑保護

打滑保護裝置中用到的傳感器主要包括速度傳感器和霍爾傳感器。霍爾傳感器的作用是對滾筒的轉動速度進行檢測，進而計算得到滾筒表面的線速度。并將其與通過速度傳感器得到的鋼絲繩運行速度進行比較，如果兩者之間差異不大，說明不存在打滑現象；如果兩者之間差異較大，說明存在打滑現象。此時將相關信息傳輸到PLC控制系統中，控制系統下達指令對架空乘人裝置進行停車處理，同時通過廣播系統進行故障報警。

4.4 重錘下限位保護

鋼絲繩長時間受到拉力作用時其長度會被慢慢拉長，最終導致重錘下限位置出現變化。當重錘與地面之間的距離小于20 cm時，就存在安全隱患。所以系統中設定重錘與地面之間的距離至少為20 cm，如果超過了該界限就會觸發限位保護裝置，相關信息傳輸到PLC控制系統中?？刂葡到y做出響應，對架空乘人裝置進行停車處理，同時發出聲音警報。

4.5 減速機油位和油溫報警裝置

對于架空乘人裝置，減速機在確保其安全方面發揮著重要作用。通過油位傳感器和溫度傳感器對減速機內的油位和油溫進行實時檢測。如果發現油位過低或油溫過高，系統會下達指令停止運行，同時發出警報。

4.6 速度保護

滾筒的轉動速度可以反映架空乘人裝置的運行速度。前文已述，可以通過霍爾傳感器檢測滾筒的轉動速度，進而計算得到裝置的運行速度。裝置的運行速度過低或過快時都被認為是異常信號，此時系統會控制架空乘人裝置停止運行，同時發出速度過慢或過快的聲音警報。

5 結論

斜井架空乘人裝置作為煤礦中的輔助運輸系統，主要作用是運送工作人員進出礦井，因此必須具有非常高的安全性。在分析架空乘人裝置運行狀況的基礎上設計研究了安全保護監控系統，監控系統可以自動識別人員的上車和下車情況，進而自動控制裝置的運行和待機，以節省電能消耗。另外還設置了各種保護功能，對于架空乘人裝置運行過程中可能出現的故障問題，能夠進行自動識別和檢測。一旦發現問題可以立即發出聲音警報并對裝置作停車處理，確保乘坐人員的人身安全。斜井架空乘人裝置安全保護監控系統應用，能夠有效提升礦井輔助運輸系統的安全性。