架空乘人裝置斷繩抓捕保護系統的設計

李 偉， 原韶森

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

煤礦安全生產一直以來備受作業人員和企業的關注。煤礦的運輸對象包括煤炭、矸石、設備及人員等。其中，針對煤炭、矸石以長距離、大運量及高運速以帶式輸送機為主；針對設備以提升機為主；針對人員的運輸可以采用提升機、架空乘人裝置。架空乘人裝置作為輔助運輸設備，其主要針對斜井、斜巷及平巷礦井開采時人員的運輸。在實際生產中，架空乘人裝置常見的故障類型包括越位，抱索器打滑，鋼絲繩脫落、斷裂，過速及大幅度擺動等[1]。本文針對架空乘人裝置的保護系統進行重點設計。

1 架空乘人裝置保護系統概述

架空乘人裝置作為煤礦運輸的輔助運輸設備，其可有效解決作業人員從地面至工作面遠距離乘坐的問題，主要適用于斜井、平巷等礦井開采人員的運輸。目前，架空乘人裝置保護系統以機械安全保護和電控保護為主。其中，機械安全保護顧名思義為機械性保護裝置，其主要包括閘盤制動保護、液壓制動保護和吊椅制動保護；電控保護的核心理念為根據架空乘人裝置的運行狀態并結合理想運行工況，綜合判定是否需對設備進行保護，該保護措施能夠實現對架空乘人裝置的預防保護[2]。

經調查研究可知，當前針對架空乘人裝置主要保護的對象及類型包括對架空乘人裝置的越位保護（機頭、機尾）、飛車保護、吊椅的大幅度擺動保護及緊急制動保護。結合2011 年我國煤炭行業針對架空乘人裝置發布的相關標準和規范，要求架空乘人裝置保護系統應滿足如下保護功能：架空乘人保護裝置可實現對設備全程的緊急停車保護；架空乘人保護裝置可實現對設備機頭或機尾可能出現越位的保護；架空乘人保護裝置可實現對其所牽引鋼絲繩的偏移、掉繩的保護；架空乘人保護裝置具備對尾輪限位的保護；架空乘人保護裝置具備對下限保護的功能；架空乘人保護裝置具備對設備出現速度超限的保護；架空乘人保護裝置可對其變速箱、驅動電機溫度超限進行保護；架空乘人保護裝置可對變速器內潤滑油的液位不足等進行保護；架空乘人保護裝置可對設備鋼絲繩斷裂的現象進行緊急制動保護。

針對架空乘人裝置保護系統主要采用上位機與下位機相結合的方式進行故障獲取、故障分析以及故障對策三方面的操作，主要采用相應傳感器對不同故障的特征參數進行獲取，并通過PLC 控制器對所采集的數據進行分析，從而得出相應的故障保護策略[3]。一般故障保護涉及的相關硬件，見表1。

表1 架空乘人裝置保護系統關鍵硬件

綜上，目前架空乘人裝置保護系統針對其存在一般故障問題均能夠起到有效的保護作用。但是，針對架空乘人裝置鋼絲繩的保護還尚未成熟。因此，本文將重點針對架空乘人裝置鋼絲繩缺乏斷繩保護功能進行設計。

2 斷繩抓捕保護系統的設計

鑒于煤礦生產環境相對惡劣，要求應用于煤礦的設備均具備“防爆合格證”“煤安證”及“合格證”。針對架空乘人裝置斷繩保護系統，首先需滿足防爆的性能，借鑒其他保護系統針對鋼絲繩斷繩抓捕保護系統基于PLC 控制器為核心，對鋼絲繩張力、位移等特征參數進行檢測判斷后，擬采用斷繩抓捕器對鋼絲繩進行抓捕。因此，針對架空乘人裝置斷繩抓捕系統的核心為斷繩抓捕器、鋼絲繩狀態特征參數的獲取及指令的執行。

2.1 斷繩抓捕器的設計

傳統斷繩抓捕器在實際應用中存在抱索力過大導致鋼絲繩被截斷的問題，導致二次斷繩事故的發生。為解決此類問題，在傳統斷繩抓捕器的基礎上新增一個伺服電機，避免斷繩抓捕器突然收縮所引發的抱索力過大導致的鋼絲繩斷裂的問題[4]。

結合上述設計理念，本文所設計斷繩抓捕器的結構如圖1 所示。

圖1 斷繩抓捕器結構示意圖

2.2 斷繩抓捕系統關鍵硬件的選型

斷繩抓捕器的正確動作和抓捕效果在很大程度上受制于對鋼絲繩運行狀態特征參數的獲取，主要是對安全閘之間的間隙和鋼絲繩張力的檢測，涉及的傳感器包括位移傳感器和張力傳感器，各傳感器的選型結果及參數見表2。

表2 斷繩抓捕系統關鍵傳感器選型

2.3 斷繩抓捕系統的軟件設計

同樣，架空乘人裝置斷繩抓捕系統的核心控制器為S7-300 型PLC 控制器，而對架空乘人裝置保護系統中的監控從站所采用PLC 控制器的類型為S7-200 型[5]。具體控制流程為：對張力傳感器和位移傳感器的數據進行采集，判斷是否應該運行斷帶抓捕器。控制流程如圖2 所示。

圖2 斷帶抓捕系統控制流程圖

3 結論

1）采用S7-300 型PLC 控制器為核心對鋼絲繩的斷繩抓捕進行控制；

2）在傳統斷繩抓捕器的基礎上新增伺服電機，解決抱索力過大導致二次事故發生的問題；

3）完成對斷繩抓捕系統涉及的關鍵傳感器和控制流程的設計。