激光檢測技術監測系統探討

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摘要：介紹了紅陽二礦主井提升機閘間隙監測保護裝置技術改造和系統實現；系統采用高精度激光位移傳感器，對閘瓦閘間隙、閘瓦磨損值、彈簧疲勞和閘盤偏擺等位移信號進行檢測，轉換成4～20mA電流信號傳輸給PLC的模擬輸入端口，PLC對數據進行實時讀取、分析、換算，轉換為便于顯示的數值，超過設定值發出聲光報警信號。實際應用證明了裝置具有靈敏度高、抗干擾能力強、工作可靠等技術特點。

關鍵詞：主井提升機；閘間隙監測系統；激光傳感器；PLC；盤形閘

盤形閘是礦井提升機制動系統中最為關鍵的部件[1]，由于使用頻繁，造成閘盤與制動盤之間產生磨損，使得間隙過大，而影響制動效果。根據2016版《煤礦安全規程》第四百二十六條第二項明確規定“盤形閘的閘瓦和閘盤之間的間隙不得超過2mm”，并且在四百二十三條第六項規定“當閘瓦間隙超過規定值時，能報警并閉鎖下次開車”[2]。因此，盤形閘工作間隙的監測與保護對提升機裝置的安全運行具有十分重要的意義。然而，通過對東北地區煤礦企業市場調研發現，目前大多數的煤礦提升機中都沒有安裝閘間隙保護裝置，仍采用較為原始的保護開關作為安全保護，造成了保護措施不利，技術手段落后，控制精度不高，保護效果不明顯，經常出現安全隱患。設計了一種礦井提升機閘間隙保護自動監測裝置,該保護裝置能夠實時監測閘間隙、閘瓦磨損、彈簧疲勞等相關數據，且具有自動聲光報警及斷電保護功能[3]。

1檢測原理

監測系統主要對閘間隙、閘瓦磨損和彈簧疲勞進行檢測。制動閘正常狀態和閘瓦磨損及彈簧疲勞狀態圖如圖1。1）盤形閘閘間隙檢測。盤形閘閘間隙是監測系統檢測的重要指標，它是指提升機全松閘狀態時，制動盤與閘瓦之間的間隙值[4]。該值可由下式計算：ZJ=ZH-ZS當閘瓦磨損時：ZJ=ZH-ZS+ZM式中：ZJ為間隙值，mm；ZH為合閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離，mm；ZS為松閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離，mm；ZM為閘瓦磨損值，mm。2）閘瓦磨損檢測。閘瓦磨損是由于礦井提升機在運行過程中，經常處于減速制動狀態，造成盤式制動閘閘瓦與制動盤之間不斷摩擦，而使閘瓦產生機械磨損，厚度逐漸減小，閘間隙逐漸增大，不但造成制動力不均勻，且導致制動力有所下降，影響制動效果。正常閘瓦緊閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離ZH小于磨損閘瓦緊閘時閘瓦外側與傳感器的距離ZH1，閘瓦磨損值ZM可由下式計算：ZM=ZH1-ZH式中：ZH1為磨損閘瓦合閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離。3）彈簧疲勞監測。彈簧疲勞是由于提升機制動閘經常處于松閘和緊閘狀態，隨著運行的時間增加，碟形彈簧彈力會有所下降，從而導致制動力有所減弱。當制動力減小到規定值時，就要及時更換碟形彈簧[5]。正常彈簧松閘時，閘瓦外側與激光位移傳感器的距離ZS大于疲勞彈簧松閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離ZS1，彈簧疲勞值可由下式計算：式中：TP為彈簧疲勞值；ZS1為彈簧疲勞且開閘時閘瓦外側與激光位移傳感器的距離。

2主井提升機閘間隙監測控制系統

煤礦提升機閘間隙監測系統主要是對盤型閘與制動盤之間的動態間隙進行實時監測。在具體設計中，選擇PLC作為監測系統的核心控制器，激光位移傳感器作為系統參數的檢測。通過此系統可實時監測閘瓦工作間隙、磨損值、彈簧疲勞等數據信息，在顯示屏上實時顯示，并實現自動報警或斷電。閘盤偏擺只做報警處理。2.1監測保護裝置監測保護裝置的控制框圖如圖2。本系統由24只激光位移傳感器、PLC及模擬量輸入輸出接口、工業計算機、觸摸屏等組成。系統采用S7-300系列PLC，CPU選擇313C-2DP，1個數字量輸入接口選擇SM321，用于初始調零設置和復位信號；1個數字量輸出接口選擇SM322，用于聲光報警；3個模擬量輸入接口選擇SM331，用于檢測盤形閘間隙等數據，轉換成數字量，供PLC使用[6]。系統工作時，PLC采集激光位移傳感器的現場測量數據值，通過前述計算公式，計算出監測系統所需的數值，并在顯示屏上實時顯示出來，供司機隨時查看。當盤形閘與制動盤處在初始位置時顯示綠色值，監測的實際工作值在規定值以內時顯示為黃色值，當超過規定值（閘間隙保護值不得超過2mm，閘偏擺值不得超過0.5mm）時顯示為紅色值，且能夠自動聲光報警。2.2高精度激光位移傳感器采用了邦納公司的LH系列高精度激光位移傳感器。它主要用于短距離、高精度測量，并采用了670nm（1mW）IEC和CDRH紅色2級可見激光發射管，利用三角測量方法，1024像素CMOS圖像式接收元器件以及LH－ring軟件平臺支持。其系統測量精度可達1μm，分辨率0.1μm，滿量程線性度0.1%。LH傳感器可在多可達8～32個LH傳感器之間組網，且能穩定工作。2.3系統軟件監測控制系統的軟件設計主要滿足系統的數據采集、調零初始化、偏差計算、顯示、報警等功能[7]。通過程序，實現閘間隙計算、閘瓦磨損量的計算，一旦計算結果超出規定的值，系統發出報警型號[8]。主程序流程圖如圖3。2.4人機界面系統設計采用人機界面（HMI）設計，用Winccflexible組態軟件進行組態編程[9]，簡化設計流程，操作簡單，數據顯示畫面直觀清晰。通過PLC以變量為紐帶建立HMI與過程監控之間的通訊，過程值通過輸入/輸出模塊存儲在PLC中，觸摸屏則通過訪問變量訪問PLC相應的存儲單元[10]，然后進行計算、判斷和處理等。該畫面具有實時檢測、參數初始化、傳感器投入/解除、報警值設置、報警試驗、報警等功能。系統人機界面（HMI）如圖4。

3系統調試與試驗

系統調試是開發設計系統最為重要的環節，關系到監測系統能否正常運行，檢測精度能否達到設計要求，顯示數據是否準確，系統能否穩定運行等一系列技術問題。調試過程主要按以下步驟進行：1）電源投入。先將斷路器4合閘，控制電源送電。檢查PLC各狀態指示燈顯示是否正常，顯示屏各區域所顯示的信息是否正常，各電源指示燈顯示是否正常，如發現異常現象，要及時關閉供電電源斷路器開關，檢查供電線路、傳感器等供電電源。2）傳感器位置的調整。傳感器的位置非常重要，影響系統的檢測精度，一般檢測的初始距離為7.5mm左右較為合適。在抱閘的情況下，調整各個傳感器位置，觀察實時數據畫面中1號區域“探頭間隙值”的數據顯示，直至“探頭間隙值”都顯示為7.500mm左右為止。3）初始化數據。初始化數據分為緊閘初始化數據和松閘初始化數據，緊閘初始化數據是提升機在更換完新的閘片后，所有激光位移傳感器間隙值調整完畢，提升機在緊閘停止狀態，按下顯示屏中的“全部初始化”按鈕，即完成了緊閘初始化數據設定；松閘初始化數據是上述操作完成后，啟動提升機，在全松閘的情況下，再次按下“全部初始化”按鈕，即完成了松閘初始化數據設定[11]。初始化數值是作為零初值的重要參考依據。4）傳感器投入與解除。傳感器只有投入運行以后，才能監測數據，顯示正常值。當某個傳感器發生故障時，顯示的數據將出現非法值，此時，通過顯示屏中的解除按鈕解除該傳感器的輸入值，顯示的數值將被閉鎖。5）提升機運行以后，監測系統的所有數據畫面全部顯示在顯示屏中，且所有數據都在實時更新，當超出規定的值時，系統發出報警信號。通過畫面選擇按鈕，能夠選擇實時數據、數據查詢、參數設定、系統初始化等功能。

4結語

介紹了紅陽二礦主井提升機閘間隙監測保護裝置技術改造和系統實現，礦井提升機制動系統是保障提升系統運行安全的重要設備。制動系統一旦出現故障，可能出現墩罐等重大事故，也極有可能造成人身傷亡，故在提升系統中制動閘控制及保護是一個非常重要的環節。紅陽二礦主井提升機閘間隙監測系統投入運行2年多，大大提升了制動系統的控制精度，縮短了故障處理時間，提高了礦井提升機工作的安全性和可靠性。

作者：牟淑杰 王廣錄 宮喜波 施曉新 單位：營口理工學院電氣工程學院 沈陽焦煤股份有限公司