制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺在礦井提升機(jī)改造項(xiàng)目的應(yīng)用

陳華新，劉賀偉，李娟娟，何雨絲

1平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 河南平頂山 467099

2洛陽中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

3華北科技學(xué)院 河北廊坊 065201

在豎井礦山生產(chǎn)過程中，提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)設(shè)備、礦物、人員和物資運(yùn)送任務(wù)，是連接井下與井上的關(guān)鍵通道。目前，國內(nèi)煤礦礦井所使用的提升系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分屬于使用 10～30 a 甚至更久的老舊設(shè)備。隨著礦山安全、高效開采要求的提高，以及智能化礦山建設(shè)的推進(jìn)，提升機(jī)及制動(dòng)裝置的改造在各煤礦企業(yè)陸續(xù)推進(jìn)，系統(tǒng)故障診斷和智能管理應(yīng)用是降低停機(jī)率、消除安全隱患、提高生產(chǎn)效率的主要手段[1]。

依托平煤集團(tuán)天安煤業(yè)某礦提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)改造項(xiàng)目，筆者開發(fā)了制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。

1 項(xiàng)目介紹

平煤集團(tuán)某礦使用 20 世紀(jì) 80 年代進(jìn)口的德國GHH 成套提升機(jī)，設(shè)備類型為塔式 4×4 直聯(lián)摩擦式提升機(jī)，包括主機(jī)、電控系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)。該提升機(jī)是主要的生產(chǎn)設(shè)備，每天工作超過 20 h，擔(dān)負(fù)煤炭提升任務(wù)，工作負(fù)荷繁重。由于使用年限已久，制動(dòng)系統(tǒng)可靠性下降，故障多發(fā)；制動(dòng)裝置及液壓站基本沒有檢測元件，設(shè)備運(yùn)行檢查和維護(hù)全靠人員現(xiàn)場目視點(diǎn)檢，不易排查發(fā)現(xiàn)隱患；設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)未知，日常運(yùn)行多出現(xiàn)偶發(fā)故障。以上情況給煤礦企業(yè)設(shè)備檢修與維護(hù)造成較大的壓力，影響企業(yè)生產(chǎn)效率，并構(gòu)成安全隱患。提升機(jī)主要參數(shù)如表1 所列。

表1 提升機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of hoist

2 設(shè)備改造及平臺建設(shè)方案

制動(dòng)系統(tǒng)改造包括液壓站、制動(dòng)裝置、控制柜、閘監(jiān)測裝置、相關(guān)監(jiān)測和傳感接口裝置等。

2.1 液壓站

將原液壓站改造為具備故障自診斷功能的冗余回路恒減速液壓站。新液壓站配置系統(tǒng)壓力、溫度、液位及油液污染度監(jiān)測傳感元件，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)控液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；具備閥芯監(jiān)控等關(guān)鍵液壓元件動(dòng)作監(jiān)視功能，通過邏輯判斷，診斷和評估液壓系統(tǒng)故障；具備蓄能器油壓、氣壓監(jiān)測及自動(dòng)充壓保護(hù)功能，確保滿足系統(tǒng)安全制動(dòng)過程中油壓調(diào)節(jié)的需求[2]。

2.2 制動(dòng)裝置

將原制動(dòng)器改造為新型盤式制動(dòng)器，如圖1 所示。新制動(dòng)器動(dòng)作靈活，滯環(huán)小，響應(yīng)快，線性度高，適應(yīng)恒減速電液制動(dòng)過程中高頻度、高精度的控制要求；同時(shí)，采用新型閘瓦和碟簧，進(jìn)一步提高了制動(dòng)力矩安全系數(shù)。

圖1 新型盤式制動(dòng)器Fig.1 New-type disc brake

2.3 閘監(jiān)測裝置

每組制動(dòng)裝置加裝一個(gè)閘監(jiān)測箱，箱內(nèi)配置通信模塊，將監(jiān)測信號傳輸給上位一體機(jī)內(nèi)的主站。每組制動(dòng)器安裝一套傳感器，完成相關(guān)變量(油壓、閘間隙、閘盤溫度、制動(dòng)盤偏擺)的采集。監(jiān)測箱內(nèi)的模擬量模塊及通信模塊接收和傳遞信號，并將上述變量信號發(fā)送至上位一體機(jī)和管理平臺。

2.4 測速機(jī)編碼裝置

為監(jiān)測提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并為制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行程序提供工況依據(jù)，新增測速編碼一體機(jī)來監(jiān)測提升機(jī)運(yùn)行速度、位置，以便程序判斷是否執(zhí)行安全制動(dòng)及執(zhí)行何種級別的安全制動(dòng)。為保證測速信號穩(wěn)定，制動(dòng)盤內(nèi)圓現(xiàn)場車削加工，測速機(jī)及編碼器均采用雙路冗余設(shè)計(jì)，以確保其可靠性。

2.5 制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺及其控制柜

新增制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺及其主控柜一套?？刂乒癜?PLC、模擬量和數(shù)字量輸入輸出模塊、電源系統(tǒng)、隔離模塊、液壓站控制模塊、閘監(jiān)測控制模塊、觸摸屏等組件。管理平臺總體框圖如圖2 所示。

圖2 管理平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of governing platform

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理平臺主要功能包括性能評估、故障監(jiān)測、安全測試、制動(dòng)試驗(yàn)、參數(shù)設(shè)置、記錄查詢等。

(1)故障監(jiān)測及報(bào)警 觸摸屏顯示各種動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)值，包括閘盤溫度、間隙、偏擺、制動(dòng)油壓、液壓站油壓、油溫、液位及油泵電流、油液污染度，以及上述參數(shù)異常時(shí)發(fā)出的應(yīng)急處置信號。

(2)參數(shù)設(shè)置 依托人機(jī)交互界面，在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和修改，如閘間隙限定值、偏擺最大值、開合閘油壓、加熱及冷卻系統(tǒng)開啟條件限值、液位、油液污染度的報(bào)警值，以及其他系統(tǒng)參數(shù)。

(3)性能衰減評估 完成制動(dòng)裝置、制動(dòng)盤、液壓站以及各關(guān)鍵元器件性能衰減程度的評估，以柱狀圖形式顯示相關(guān)性能指標(biāo)，設(shè)置對應(yīng)的故障報(bào)警指示燈[3]。

(4)安全測試試驗(yàn)?zāi)K 完成制動(dòng)裝置測試試驗(yàn)性能衰減分析，以曲線圖形式顯示狀態(tài)性能，以及是否達(dá)到性能衰減限定值，并進(jìn)行相關(guān)評估診斷。

(5)數(shù)據(jù)記錄查詢 完成制動(dòng)裝置、制動(dòng)盤、液壓站、提升機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的存儲記錄和查看。

4 管理平臺測試與應(yīng)用

4.1 制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺

提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺的主界面如圖3 所示，主要設(shè)置提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、液壓站、制動(dòng)裝置、電源、系統(tǒng)故障與報(bào)警、運(yùn)行趨勢等單元模塊。主頁顯示提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等關(guān)鍵信息，其他各子系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及制動(dòng)裝置監(jiān)測參數(shù)、故障報(bào)警指示等，可通過觸摸對應(yīng)圖標(biāo)切換至相應(yīng)模塊的顯示窗口。

圖3 制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺主界面Fig.3 Main interface of braking system governing platform

4.2 制動(dòng)裝置監(jiān)測

智能監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖4 所示。在該界面，可以查看每個(gè)制動(dòng)單元(間隙傳感器、溫度傳感器、偏擺傳感器)對應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)值及其運(yùn)行趨勢圖，分析性能指標(biāo)及健康狀態(tài)，提醒維護(hù)人員執(zhí)行加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)護(hù)、調(diào)整制動(dòng)器間隙、更換碟簧或密封等操作。

圖4 制動(dòng)裝置監(jiān)測界面Fig.4 Monitoring interface for braking device

4.3 監(jiān)測控制模塊

該模塊顯示提升機(jī)制動(dòng)裝置主要的監(jiān)測參數(shù)及故障報(bào)警，包括閘瓦間隙、閘盤偏擺、液壓站油壓等。故障報(bào)警指示燈全部為綠色，說明各主要監(jiān)測參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，制動(dòng)裝置運(yùn)行正常；指示燈變?yōu)榧t色，說明數(shù)據(jù)異常，提示應(yīng)檢修、調(diào)整或更換相關(guān)部件。

4.4 安全測試與恒減速制動(dòng)試驗(yàn)

為確保制動(dòng)系統(tǒng)始終處于良好工作狀態(tài)，安全制動(dòng)功能完備，需定期對提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測試系統(tǒng)安全。

恒減速制動(dòng)試驗(yàn)(見圖 5)可以測試系統(tǒng)恒減速制動(dòng)功能是否正常、制動(dòng)減速時(shí)間、速度偏差等，并可根據(jù)測試數(shù)據(jù)評測蓄能器、比例閥、測速裝置及控制板性能；同時(shí)計(jì)算減速度，并將其與防滑驗(yàn)算對比，評判系統(tǒng)緊急制動(dòng)時(shí)是否會滑繩，為調(diào)整提升系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)提供依據(jù)。

圖5 恒減速制動(dòng)測試Fig.5 Test for constant deceleration braking

安全測試顯示制動(dòng)裝置在健康狀態(tài)下和測試試驗(yàn)時(shí)的曲線以及性能衰減[4]評估結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 安全測試試驗(yàn)界面Fig.6 Interface of security test

從圖6 可知，制動(dòng)裝置性能得分為 0.95，接近于1，性能評估結(jié)果指示為綠色，制動(dòng)裝置工作性能在正常范圍內(nèi)，暫不需要進(jìn)行故障診斷。

5 結(jié)語

提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)管理平臺集成流量制動(dòng)裝置、制動(dòng)盤、液壓站、提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和自身健康狀況評估功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行數(shù)據(jù)并分析制動(dòng)裝置、液壓站以及各傳感器的性能衰減程度；可以定期進(jìn)行安全制動(dòng)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評估和故障診斷；解決了老提升設(shè)備制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控不完善，制動(dòng)器裝置、液壓站、電控系統(tǒng)等部件相對孤立，無法集中統(tǒng)一監(jiān)控管理等問題；實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)信息全覆蓋的綜合監(jiān)控評價(jià)，對實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的智能維護(hù)、保障提升系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，具有重要意義。