智能型液压驱动架空乘人装置控制系统设计.pdf

2 0 1 3 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 2 1 5 期 智能型液压驱动架空乘人装 置控制 系统设计 黄 辉 ， 王 欣 河 南 煤 业 化 工 集 团 永 煤公 司新 桥 煤 矿 ， 河 南 永城4 7 6 6 0 0 摘要 针对新桥煤矿 南一采 区轨道运输上 山距离较长 、 对 乘人装置运行安全 性要求较高 的情况， 设 计 了一套 智 能化架 空乘人装置 的控制系统。主要介 绍 了架空乘人 装置控制系统组 成原理 、 乘人 装置控制 系统保 护 的 实现 。 应 用 情 况 表 明 ， 该 系统 提 高 了架 空乘 人 系 统 的 安全 性 ， 减 轻 了职 工 的 体 力 消耗 。 关键词 液压驱动； 架 空乘人装置； 控制 系统 ； 保 护系统 中图分类号 T D 5 6 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 3 1 1 0 0 1 2 0 3 煤矿 固定抱 索器 架 空 乘人 装 置 以下 简 称乘 人 装置 是煤 矿井 下辅 助 运输 ， 主要 由液 压 驱 动装 置 、 托绳 装置 、 乘人 器 、 迂 回轮装 置 、 张紧装 置 、 安 全保护 装置 及 电控 装 置 等 组 成 。架 空 乘 人 装 置 的输 送 原理 是将 钢丝绳 安 装 在驱 动轮 、 托 绳 轮 、 压 绳轮 、 迂 回轮 上 ， 经 张 紧装置拉 紧后 ， 由驱 动装置 带动 驱动 轮 和钢 丝绳 运行 ， 从 而实 现输 送矿 工上下井 ， 以缩短矿 工上下井的时间 ， 减轻矿工上下井的体能消耗 。 新 桥 煤 矿 南 一 采 区 轨 道 上 山 斜 巷 总 长 约 8 9 0 m， 坡 度 0 。～1 4 。 ， 平 均 坡 度 l 3 。 ， 变 坡 点 1个 7 5 0 1 13 ， 斜巷 垂深 2 0 2 ． 4 m， 支 护类 型 为锚 网喷 锚 索 ， 斜巷 中 间 分 别 有 南 一 采 区 一 联 巷 、 2 1 0 2胶 带 运 输 巷 、 2 1 0 2轨 道 运 输 巷 、 2 1 0 6胶 带 运 输 巷 、 2 1 0 6轨 道 运输 巷 、 南一采 区变 电所 、 2 1 0 7胶带 运输 巷 、 2 1 0 7轨 道运 输巷 共 8个 偏 口。 由于该采 区轨道 运输 上 山距 离 较长 ， 总运行 距离 超过 1 0 0 0 m， 偏 口超 过 8个 ， 对 乘人 装置 的运 行 安全 性 要 求 较高 。 为此 ， 设 计 了一 套智能化架空乘人装置控制系统 。 1 架空乘人装置控制 系统组成及原 理 智 能型液 压驱 动煤矿 架空乘 人装 置主要 通过 液 压站 油管 路 的调节 实现速 度控制 等 。架空乘 人装 置 控制 系统 组 成 如 图 1 、 图 2所 示 。电 控 装 置 以 P L C 为 核心 ， 是 利 用 C A N 总线 控 制 远 程 数 据 采 集 与 通 信 、 继电器隔离输出控制的专业型电控装置； 具有安 全保 护停 车 闭锁 0 ． 1 S 内 、 打 点 、 对 讲 及 运行 状 态 与故障采集、 显示和语音报警等功能。其电控装置 收 稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 7 作者简介 黄辉 1 9 8 2 一 ， 男 ， 云南河 口人 ， 助理 工程师 ， 2 0 0 5年 毕业于 中国矿业大学 ， 现从事煤矿机电运输 工作 。 1 2 的 电气元 件 主要 由 K X J 1 ． 8 ／ 1 2 7矿 用 隔爆 兼 本 安 型 P L C控制 箱 、 T H1 2矿用 本 安型 操作 台、 K HX 1 2矿 用 本 安 型信 号 控 制 箱 、 G E J矿 用 本 安 型 跑 偏 传 感 器 、 G S H 9 0 0矿用 本 安 型转 速 传 感 器 、 K D W1 2 7 ／ 1 2矿 用 隔爆兼 本 安 型直 流稳 压 电源 、 K XBI 2矿用 本 安型 声 光 报警 器 、 P H1 2矿 用本 安 型 显示 屏 、 G WD1 0 0温 度 传 感器 等组 成 。 图 1斜 巷信 号检 测 控 制 示 意 轮边制动器及机头液 压马达控制油管 l T H 1 2 矿用本安型 l 操作台 赢 信号 l 信号 KX J 1 ． 8 ／ 1 2 7 矿用隔爆兼 本安型P L C 控制箱 C A N 总线信号输入 图 2系 统 控 制 原理 1 ． 1主要 电气 元件 1 P L C控制箱。主要功能是采集 C A N总线信 号 、 高速 脉冲信 号 速 度检 测 、 开关 量信 号 机 头越 位 、 上变坡 点掉 绳 、 操 作 台按 钮 控 制 以及 模 拟 量信 2 0 1 3年第 1 1 期 黄辉 ， 等 智 能型 液压驱 动 架空乘 人装 置控 制 系统设计 总第 2 1 5期 号 电流 、 电压 、 温 度和 油压 等 ， 并 经 P L C内部 逻辑 运算 ， 由 P L C的输 出端 控 制 中 间继 电 器来 控 制架 空 乘人装置的主泵电机和风冷 电机的启停 ， 并将乘人 装置的运行方式 、 运行状态 、 故障信息、 运行数据通 过 C A N总线传送给操作台进行故障显示及报警。 2 T H 1 2矿 用 本 安 型 操 作 台 。控 制 台主 要 实 现 架空 乘人 装置 的运 行控 制功 能 、 信 息显 示 功能 、 报 警 和通 信功 能 。架 空乘 人装 置 的运 行 控 制包 括 运 行方式选择 、 参数调整、 启动控制 、 停止控制 、 故障复 位 、 画 面切换 和 P L C选 择 。 3 K H X 1 2矿用本安型语音信号控制箱。信号 控 制箱 的作 用是 采集 乘人 装置 安全 保护 项 目的故 障 信号 ， 通过 C A N总线传送给 P L C控制箱 ， 实现故障 停 车 闭锁 ； 通 过音 频 总线接 收乘 人装 置 的语音 报警 、 笛音报警 ， 并能与其他信号控制箱 和操作 台进行打 点 、 通话 及转 播 电话 呼 叫声 音 。 1 ． 2控 制流 程 电控装置 P L C使用三菱第 3代小型可编程控 制 器 F X 3 U系 列 。F X 3 U 系 列 与 之 前 的 F X 系列 产 品相 比， 其定 位 功能得 到 了提 高 ， F X 3 U 基本 性 能 大 幅提升 C P U处 理 速度 达 到 0 ． 0 6 5 s ／ 基 本 指令 ； 内 置高 达 6 4 K步 的大 容量 R A M 存储 器 ； 大 幅增 加 了 内部软元件 的数量 ； 强 化了指令 功能， 提供 了多达 2 0 9条 的应用指令 ， 包括与三菱变频器通信 的指令 、 C R C计算 指令 、 产 生 随机 数 指令 等 。P L C控 制 系 统 软件按 照模 块 化 方 法 设 计 ， 包 括 主 程 序 、 初 始 化 模 块 、 数据计算模块、 自动控制模块 、 手动控制模块 、 启 动 模块 、 正 常停 车模 块 、 紧 急停 车模 块 、 报 警 等 子 程 序， 其主程序流程如图3所示 。 图 3主 程 序 流 程 1 ． 3液压 系统 液压 系统 采用 闭式传 动 。工作 时 电动机驱 动 主 油泵工作 ， 主油泵的 2个端 口与发动机 2个端 口相 连接 ， 油泵 及发 动机 的泄漏 通 过补油 泵补 充油液 ， 同 时补油泵还给油泵和发动机冲洗降温 ； 当油泵工作 时 ， 向发 动机输 出压 力油 ， 发动 机旋 转带 动驱动 轮转 动 。油泵 输 出压力 油 的流量 大小决 定发 动机转 速 的 大 小 。与高速 发动 机连 接 的减 速机 内带 有液压 制动 器 高速 方案 时 ， 用于工 作 高速端 制动 。考 虑 可 能 发生调 速 阀 因油 液杂 质而被 堵塞 或卡 死不 能及 时 修复的情况 ， 因此设置用于临时应急的手动调速功 能 。 当运 行方 式 为手动 调速 时 ， 调 速 阀被断开 ， 手动 调节 压力 阀可 调节 速度 。 2 乘人装置控制 系统 的保护实现 2 ． 1保 护系统 基本 组成 保护 系统 由矿 用 隔爆兼 本 安 型 P L C控制 箱 、 矿 用 本安 型 电气信号 操作 台 、 本 安 型语言 信号控 制箱 、 轮 边制 动器 、 断绳 抓 捕 装 置 、 本 安 型 测 速传 感 器 、 本 安 型减 速器 油位 传感 器 、 油温 传 感 器及 本 安 型 架 空 乘 人装 置各 类保 护传 感 器 等 组成 ， 实 现 了架 空 乘人 装 置运 行参 数 的综合 检 测 及 故 障保 护 ， 一 旦 系 统 出 现紧急故障即可动作 ， 通过盘形制动装置实现刹车， 一 旦发 生滑 绳或 者 断 绳 ， 抓 捕 装 置动 作 。其 安 全 保 护 P L C监控 系统 如 图 4所示 。 l 薪 油 温 『I失 效 『l1言 彗 中 断 『I羼 保 护 ll保 护 Il 保 护 ll 监 一 l 设备安全保护 合 l T 一 量 葆l I P L c 监 控 系 统 护l ] 一 l 其他 保护I 各类保t 护监测l 电机电流电l l 压力制动 压检测保护 l l器保护 图 4安全保护 P L C监控 系统示意 驱动装置 二级制动 各保 护项 目均 由 P L C 自动 控制 ， 系统 自动检 测 信号 ， 任一保护发生动作 时， 立 即停止运行 ， 同时操 作显 示 台上显示 故 障类别 ， 发 出声光 语音 报警信 号 ， 并与 供 电系统 闭 锁 。在 故 障 消 除前 ， 架 空 乘人 装 置 无法 启动 和运行 。 ． 1 3 ． ～一一一一一一一一 一一一一一一一一一 2 0 1 3 年第 1 1 期 中州煤炭 总第2 1 5 期 2 ． 2安全 保护 项 目及 其 实现 安全保护项 目分为人身安全保护和设备安全保 护等 。其中， 人身安全保护有 1 0种 ， 机械设备保护 有 5种 ， 其 他保 护 有 2种 。现对 智 能 型液 压 驱 动式 架空乘人装置的关键性保护项 目做重点研究 。 2 ． 2 ． 1机 头 、 机尾 越位 保护 该保护装置由跑偏开关和吊架组成 ， 当乘人上 井或下井进入驱动轮或迂回轮的禁止乘人区时， 乘 人装 置停 止运行 ， 并 发 出“ 机 头越 位 ” 或 “ 机 尾 越位 ” 的报 警声 ， 同时操作 台显示 面板显 示相 应 内容 。 当有 静态 上下 车 装 置 时 ， 不配 置 该 保 护 。 目前 南一采区轨道斜巷架空乘人装置底弯道车场安装了 静态 上下 车装 置 。该装 置 由上 车轨 道 、 定 位 抱 索装 置 、 放行 装置 、 托压绳 轮 、 横 梁 、 吊架组成 图 5 。 图 s静 态 上 车 装 置 安 装 示 意 1 定 位抱 索装 置 。定 位抱 索装 置 用 于确 保 抱 索器在抱索阶段能准确抱住钢丝绳 ， 保证乘人乘坐 的安全性 。 2 放行装置 。放 行装置为手拉 闸板式 ， 乘人 坐稳 并 听到可 以放行 的提示 音后 ， 手拉 拉环 ， 限位 闸 板 松 开 ， 放 行 乘人 。工作 原 理 人 员 乘 坐 时 ， 可 摘 挂 式 活动抱 索 器 4个 轴 承 滑 轮 经 放 行 装 置沿 滑 道 滑 行 ， 滑行 到定 位抱索 位置 ， 抱索 器卡爪 在抱索 阶段 准 确 地抱住 钢丝 绳 ， 同时轴 承滑轮 离开 滑道 ， 人 员进 入 正常乘坐状态 ； 人员到站离开时 ， 抱索器在导 向部作 用下， 在定位抱索位置轴承滑轮进入滑道 ， 同时抱索 器 卡爪 离开钢 丝绳 ， 可 摘 挂 式 活动 抱 索 器 4个 轴 承 滑轮借惯性沿滑道滑行 ， 滑行 到停止位置进入座椅 循 环储存 装置 ， 人员 离开 座椅 ， 完成一 个循 环 。 架 空乘 人 静 态上 下 车装 置 应用 前 ， 人 员需 自己 挂 上座椅 并迅 速 向前 坐 到 座椅 上 ； 到 达位 置需 离 开 座 椅 时 ， 人员 必须双 脚落 地后再 迅速摘 掉座 椅 ， 上 下 车 过程 中经 常发生人 员摔 倒 的安全 问题 。架空乘 人 静态上下车装置应用后 ， 很好地解决了该问题， 保证 14 ． 了人员 乘坐 时 的人 身安全 。 2 ． 2 ． 2重锤 下限位 保护及 张紧装 置保 护 由跑 偏开 关 和 吊架 组成 ， 重 锤 会 因牵 引钢 丝 绳 的伸长而下降， 当下降到距地面约 2 0 0 mm时， 乘人 装置立 即 自动停止 运行 ， 并 发 出 “ 重 锤 下 限位 ” 的语 音报警 声 ； 同时操作 台显 示面板 相应 显示 ， 从而避 免 因重锤 落 地 而 造成 的牵 引钢 丝 绳 无 法 张 紧 的 现 象 适用 于重锤 张 紧 。 张 紧保护 装 置 由跑 偏开 关 和安 装 支板 组 成 ， 当 张紧装 置 张紧到极 限位 置 时 ， 架 空乘 人装 置将 会 自 动停止 运行 ， 并发 出故 障报警 ， 同时 操作 台显示 面板 相应显示 适 用于液 压 张紧 。 2 ． 2 ． 3全线 紧急停 车保护 由急停 拉线 开关 、 钢 丝绳 及 吊架 组成 ， 急停 开关 安装在 乘人装 置 2根牵 引钢 丝绳 中 问距 地 面 1 ． 2 m 高 的位 置 ， 安装 间距为 5 0 m， 并 用 3 m m 的钢丝 绳 相连 。在沿 线任意 一个 地方 只要 拉 动该 钢 丝 绳 ， 乘 人装置 即停 止运行 ， 并发 出 “ 急停 区 ” 的语 音 报 警声 ， 同时 操 作 台显 示 面 板 将 显 示 急 停 故 障 区 号 。 但 当牵 引钢 丝绳 间 距 ≥1 ． 6 m 或 巷道 中有 轨 道 时 ， 需安装 2套 全程 急停 保 护装 置 ， 并 分 别 安 装在 两 根 牵 引钢丝绳 侧 。 2 ． 2 ． 4乘人 间距安 全保护 由计时开关和信号传输组成 ， 当工人乘坐架空 乘人 装置 间距不 够 1 5 m 时 ， 乘 人 装 置 停止 运 行 ， 并 发 出“ 乘人 间距过 近保 护 ” 的报 警 声 ， 同时 操 作 台显 示 面板相应 显示 。 2 ． 3机械 设备安 全保 护 1 制动 器动作 失 效保 护 。 由液压 张 紧 油压 检 测装 置 液 压 张 紧 或 制 动 油 压 检 测 装 置 重 锤 张 紧 油路 分 支 组 成 。电 动 机 启 动前 ， 制 动 器 必 须 松 闸 ， 即处于 非制动 状态 。若 电动机启 动前 ， 制动 器不 能及 时松 闸 ， 则 电动 机 不 能启 动 ， 否 则 ， 将 破 坏 电动 机 和制动 系统 。在 系统 运 行 时 ， 当检测 到 张 紧油 压 或制 动油 压低 于正常值 ， 致使 制动 器无法 打开 时 ， 架 空乘 人装 置将 自动停 止 运 行 ， 并 同 时 发 出 “ 张 紧油 压过 低 ” 或 “ 制动 油压过 低 ” 的语 音 报警 、 笛 声报 警 、 闪烁 报警 ， 从而避 免 了因制 动 器 动作 失 效 而 造成 的 设备 损坏 和人员 伤 害。 2 机头 机尾信 号 中断保 护 。架 空乘 人 装 置在 运行 中， 若 P L C检测到 机 头操 作 台 的开关 量 输 入模 块 或机 尾 信 号 控 制 箱 的 开 关 量 输 入 模 块 之 间 的 C A N 总线信 号 中断时 ， 架 空乘 人 下转 第 1 7页 2 0 1 3年 第 1 1期 陈建泉 断 层破 碎带切 眼 巷道顶 板破 坏特 征研 究 总第 2 1 5期 模拟试验采用平面应力模型 ， 针对 2 2 8 4工作面 切 眼巷 道 的特点 和 生 产 地质 情 况 ， 巷道 模 型 尺 寸 为 1 0 0 e m1 0 e m 4 0 e m 长 宽 高 ， 相 当 于实 际 巷 道 的 1 ／ 1 0 0 ， 选用 强 度 相 似 常 数 0 ． 0 3 0， 密 度 相似 常 数 。0 ． 5 8 ， 外 力 相 似 常 数 0 [ 2 ． 4 2 1 0一。试 验采 用 沙子 作 为 原 料 ， 以水 泥 和 石 膏 作 为 胶结材料 ， 通过调整相似材料配 比试验 ， 得到沙子 、 水泥 和石 膏 3种材 料 的配 比 。 4 ． 2模 型观测 模 型观测 主要 包括 应力 分 布观测 和几 何变 形观 测 。应力 观测 采用 数 字 静 态 电阻 应 变仪 进 行 ， 传 感 器 布置在 模拟 巷道 距底 板下 方 1 c m 处 。此 外 ， 为 了 得 出切 眼巷 道 的支 护效 果 ， 对 模 拟 巷 道 顶 底 板 变形 量进 行 了观测 ， 共 计布 置 4个测 站 ， 相 对位 置与 实 际 巷 道测 点一 致 ， 为保证 数据 可 靠性 ， 每个 测 站 布 置 2 个 测点 。 4 ． 3试 验结 果 断 层下 盘巷 道超 前应 力峰 值点应 力 集 中系数 变 化 趋势 为先 逐渐 增 大 至顶 板 发 生 破 坏 ， 随着 最 大 应 力 的转 移 ， 应力集 中系数 开始 逐渐减 小 ， 应力集 中系 数 变化 曲线 如 图 6所 示 。 4 0 3 ． 0 2 ． 0 1 ． 0 0 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 40 4 5 50 距断层距离， m 图 6应力集 中系数 变化 曲线 在切眼巷道过断层之前 ， 靠近断层至超前应力 峰值 点处 于塑性 状 态 ， 在 掘进 影 响和断 层作 用下 ， 应 上接 第 1 4页 装 置 自动停 机 ， 并 发 出 “号 开 关 量模块通信中断” 的语音报警和笛声报警。 3 结 语 液压 驱动 式智 能 型架空 乘人 装置 从研究 到 工程 安装 历时 2个 月 ， 该 架空 乘人 装置 运行 平稳 ， 效果 良 好 ， 具有以下优点 ①具备空载启 动和软停车 ， 替代 电软启动器 ； ②故障率极低 ， 维护管理工作量少 ； ③ 实现 了无 级调 速 ， 替 代 电变 频 调 速 器 。该装 置 安 装 完毕 后 ， 实现 了工 作 人 员 直接 通 过 架 空 乘 人装 置上 下井 ， 大 大节 省 了一线 职工 的体 力 ， 避 免 了人员 上下 力 集 中系数 增大 ， 并 逐 渐 由单 向受 力状 态 向两 向甚 至多向受力状态过渡 ， 直至达到超前应力峰值点 ， 使 煤 体处 于塑 性状 态 。由此 可 知 ， 断 层 上 盘存 在 最 大 应 力集 中点 。通 过 几何 变 形 观 测 得 出 ， 锚 杆 支 护 可 以有效控制顶板变形 ， 但是当掘进面位于断层上盘 时 ， 锚 杆 受 力 较 大 ， 基 本 在 3 5 k N 以 上 ， 最 大 为 4 2 k N 5 结 语 1 D F 正断 层对 上 盘 附 近顶 板 受 力 影 响大 于 下盘 ， 同时断层 影 响范 围约为距 离断 层 4 0 m 范 围。 2 受 断 层影 响 ， 切 眼 巷 道 顶 板 岩 层 赋 存 发 生 明显 的变 化 ， 1 钻孔探 测 的顶板 岩性 自下 而 上 为煤 、 灰色 粉砂 岩 、 煤 ， 2 钻 孔则 为煤 、 浅灰 色粉 砂 岩 、 深灰 色粉 砂岩 ， 由此 导致 岩层 破裂 程度 的不 同。 3 l 钻 孑 L 破 裂 较 为严 重 ， 尤 其 是 顶 板 0～2 ． 3 m范 围 内 ， 顶 板 岩层 呈 现 “ 破 碎 结 构 ” ； 2 钻 孔 主要 为离 层破 裂 和垂直 裂 隙带 ， 顶 板岩层 破裂 程度 较低 ， 完 整性较 好 ， 顶板 总体上 呈现 “ 完整 结构 ” 。 参 考文 献 [ 1 ] 谭 云亮． 矿 山压 力与岩层 控制 [ M] ． 北 京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 l 1 ． [ 2] 肖同强 ， 柏建彪． 断层附近煤巷锚杆支护破碎 围岩稳 定机理研 究 [ J ] ． 采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 0， 2 7 4 4 8 2 48 6 ． [ 3 ] 勾攀峰 ， 胡有 光． 断层 附近 回采 巷道顶 板岩层 运动 特征研 究 [ J ] ． 采矿与安全工程学报， 2 0 0 6 ， 2 3 3 2 8 5 2 8 8 ． [ 4] 晁建伟 ， 余 同勇 ， 韦四江． 回采巷 道过断 层顶板 破坏特征 研究 [ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 9 ， 3 6 2 1 3 1 5 ． [ 5] 宋 卫东 ， 赵增 山， 王浩． 断层破碎 带与采 准巷道 围岩作用 机理 模 拟研究 [ J ] ． 金属矿山 ， 2 0 0 4 2 1 1 - 1 3 ． 责任 编辑 秦 爱新 井时的安全隐患及违章现象 ， 具有广泛的推广价值 。 参考 文献 [ 1 ] 李庆阳． 采 区上 山架空乘人 装置 的选 型及安装 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 1 9 8 1 8 4 ． [ 2 ] 张传晖．煤矿架空乘人装置 的系统研究 [ D] ． 泰安 山东科技 大学 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 郝桂 明 ， 李栋 ， 宋庆 军， 等． 煤矿 架空乘 人装置 自动化 的实现 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 2 1 1 9 9 2 0 0 ． [ 4 ] 袁旭虹 ， 钱军 ， 赵朝国， 等． 矿用架空乘人装 置电控系统 的现状 及其发展方向探讨 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 7 3 2 - 3 4 ． 责任 编辑 许 久峰 1 7