基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張江林，段 東，弓培林，劉混舉

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊煤礦，山西 晉城 048021）

0 引言

礦井提升機(jī)屬于機(jī)、電、液、計(jì)算機(jī)控制一體化技術(shù)的大型設(shè)備，被稱之為礦井上下運(yùn)輸?shù)摹把屎怼?。礦井提升機(jī)經(jīng)常處于過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和電動(dòng)、制動(dòng)不斷轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中，電動(dòng)機(jī)頻繁正反向轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)特性復(fù)雜。雖然礦井提升機(jī)本身有一些保護(hù)措施，但由于煤礦生產(chǎn)的復(fù)雜性、環(huán)境的惡劣性和研究的局限性，有些保護(hù)未達(dá)到預(yù)期效果，致使煤礦生產(chǎn)中仍時(shí)有提升系統(tǒng)的重大人員傷亡和設(shè)備損壞事故發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)作為新興的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新的智能化手段，能將提升機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸?shù)狡髽I(yè)內(nèi)部網(wǎng)，方便管理人員查詢和制定維修計(jì)劃。

1 礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上分為四層：底層感知層、設(shè)備接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和上層應(yīng)用層。

本文根據(jù)煤礦實(shí)際需要，以及提升機(jī)的常見(jiàn)故障和維修記錄，以2JK-2.5／20型礦井提升機(jī)為開(kāi)發(fā)對(duì)象，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)以下參數(shù)的監(jiān)測(cè)：①電氣設(shè)備的電流、電壓等電量參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)；②液壓系統(tǒng)的壓力在線監(jiān)測(cè)；③主軸系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)；④制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦間隙的在線監(jiān)測(cè)、制動(dòng)盤偏擺量的在線監(jiān)測(cè)；⑤監(jiān)測(cè)主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)有無(wú)潤(rùn)滑油流動(dòng)，避免在關(guān)閉潤(rùn)滑系統(tǒng)閥門的情況下運(yùn)行提升機(jī)。

根據(jù)煤礦需求，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集檢測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)三部分。提升機(jī)房安裝一套現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能直觀地看到提升機(jī)的運(yùn)行狀況，基站將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)降V區(qū)的監(jiān)測(cè)中心，數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，集團(tuán)總公司可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查看到礦井提升機(jī)的運(yùn)行狀況。此外，煤礦的管理人員也可以通過(guò)手持通訊設(shè)備即手機(jī)等，加入提升機(jī)監(jiān)測(cè)的小型物聯(lián)網(wǎng)中，獲取提升機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器選型

在實(shí)際選取傳感器時(shí)，需注意靈敏度、線性度、精度、分辨力等傳感器的基本特性。

圖1 礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 油壓、溫度傳感器選型

提升機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作過(guò)程如下：油箱-油泵-過(guò)濾器-潤(rùn)滑部位-多余油回到油箱，正常工作壓力為0.2MPa～0.3MPa。故本系統(tǒng)采用MDM4951系列壓力變送器采集油泵壓力并設(shè)定油壓報(bào)警限度，超限發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)PLC數(shù)字量輸入接口采集油壓報(bào)警信號(hào)；選用JWB／Pt100型溫度變送器檢測(cè)潤(rùn)滑油溫度。

2.1.2 提升速度傳感器選型

安裝在提升機(jī)電機(jī)軸上的編碼器和深度指示器上的編碼器輸出的數(shù)字脈沖與主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，它們用于提升機(jī)速度和行程的測(cè)量與速度保護(hù)，編碼器接至PLC高速脈沖輸入端。

2.1.3 電壓、電流傳感器選型

礦井提升機(jī)工作電壓為6 000V交流，采集電壓時(shí)使用60:1的電壓互感器降低電壓，然后通過(guò)電壓變送器變換成0V～5V直流電壓信號(hào)或者4mA～20mA電流信號(hào)，由PLC的模擬量采集模塊采集。提升機(jī)電機(jī)定子電流為33.5A，使用電流變送器將電流變?yōu)樾‰娏?，再通過(guò)PLC的模擬量采集模塊采集。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集此提升機(jī)的電機(jī)母線電壓和逆變電流。

2.1.4 閘瓦監(jiān)測(cè)傳感器選型

閘瓦監(jiān)測(cè)一般包含軸瓦間隙測(cè)量、軸瓦磨損測(cè)量和閘瓦偏擺測(cè)量。其傳感器均采用非接觸式電渦流傳感器。因?yàn)殚l瓦間隙需小于2mm，使用限位開(kāi)關(guān)將間隙限值設(shè)為2mm，超過(guò)2mm則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。閘瓦磨損監(jiān)測(cè)同樣采用限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)，超限輸出報(bào)警信號(hào)。閘盤偏擺量監(jiān)測(cè)的方法是分別在兩閘盤一側(cè)固定安裝電渦流傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘盤旋轉(zhuǎn)時(shí)的跳動(dòng)信息。本系統(tǒng)采用上海測(cè)振自動(dòng)化儀器有限公司的YDYT9800型電渦流位移傳感器測(cè)閘瓦間隙和閘瓦偏擺量。

2.1.5 主軸振動(dòng)傳感器選型

礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般是測(cè)量一個(gè)平面內(nèi)相互垂直的兩個(gè)方向，軸向和徑向分別安裝一只電渦流傳感器探頭。本系統(tǒng)選用兩個(gè)上海測(cè)振自動(dòng)化儀器有限公司的YD9800型電渦流位移傳感器。

2.2 信號(hào)采集與傳輸設(shè)備選型設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用SIEMENS公司的S7-200型PLC進(jìn)行信號(hào)采集，其可靠性高，性價(jià)比高，擴(kuò)展性好，適用于小型控制系統(tǒng)。PLC與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的PC連接，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用PC／PPI電纜與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)PC進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PPI）通信，實(shí)現(xiàn)RS485接口轉(zhuǎn)換為RS232，通信傳輸速率快，程序的安全保護(hù)通過(guò)用戶程序的三級(jí)口令得到保障。

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)的要求，并考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的接入或設(shè)備調(diào)整至少留出25%的備用端口。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用CPU224XP一塊，模擬量采集模塊EM231三塊，數(shù)字量采集模塊EM221一塊。提升機(jī)信息采集如表1所示。

表1 副斜井提升機(jī)信號(hào)采集

2.3 無(wú)線傳輸模塊選型設(shè)計(jì)

選擇用無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少了布線的繁瑣和成本較高的問(wèn)題，同時(shí)，傳輸速率更快，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更好。

GPRS技術(shù)擁有傳輸覆蓋面廣、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，適用于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。GPRS的可實(shí)行性、可靠性直接影響著整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是聯(lián)系提升機(jī)部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和中央監(jiān)測(cè)站的紐帶，鑒于系統(tǒng)的采集控制器選用的是西門子S7-200系列CPU，所以選用西門子配套的GPRS無(wú)線收發(fā)模塊和配套通信管理軟件，包括GPRS通信管理軟件SINAUT MICRO SC、天線、SINAUT MD720-3GPRS調(diào)制解調(diào)器。

GPRS無(wú)線組網(wǎng)有四種組網(wǎng)方式，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選用中心公網(wǎng)固定IP方式進(jìn)行組網(wǎng)，由監(jiān)測(cè)子站的MD720-3通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)的固定IP地址直接與中心的SINAUT SC路由和OPC SERVER軟件建立連接，減少中間由于運(yùn)營(yíng)商原因產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定因素。

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成見(jiàn)圖2。傳感器采集到的信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，通過(guò)液晶屏顯示提升機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)綑C(jī)電科監(jiān)測(cè)站，當(dāng)提升機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)自動(dòng)給管理人員發(fā)送短信。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括主畫面、參數(shù)設(shè)置畫面以及電參量、閘瓦間隙、軸振檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示界面和故障報(bào)警界面等。

傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)入PLC，通過(guò) WinCC win對(duì)西門子PLC進(jìn)行編程，工控機(jī)上安裝SINAUT MICRO SC軟件與PLC進(jìn)行通信，WinCC flexible組態(tài)軟件與OPC進(jìn)行通信。

圖2 礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的電氣系統(tǒng)（設(shè)備）電參量的在線監(jiān)測(cè)、液壓（潤(rùn)滑）系統(tǒng)工作參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，將主軸振動(dòng)信號(hào)、制動(dòng)盤偏擺、閘瓦間隙及空行程時(shí)間、提升鋼絲繩等數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

（2）組態(tài)集中顯示提升機(jī)監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)（如工作狀態(tài)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、報(bào)警狀態(tài)、通信狀態(tài)等）。

（3）能自動(dòng)生成提升機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的并行歷史曲線，并可查詢?nèi)我庥脩?、任意參?shù)、任意時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和曲線應(yīng)便于轉(zhuǎn)存和打印。

（4）實(shí)時(shí)顯示并記錄各種報(bào)警信息，如液壓站壓力不足、油溫過(guò)高、主軸振動(dòng)異常、通信故障等。

（5）因?yàn)镺PC可由客戶端和服務(wù)器同時(shí)監(jiān)控，需根據(jù)使用人員來(lái)自的部門不同，設(shè)置特定的操作權(quán)限，以防不同級(jí)別的操作人員越權(quán)操作。

（6）上位機(jī)系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件應(yīng)采用正式授權(quán)版本，保證其穩(wěn)定可靠，該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具備查詢功能強(qiáng)、完整，能兼容不同通訊協(xié)議的功能。

（7）使用菜單驅(qū)動(dòng)顯示，保證用戶指定一般技術(shù)人員就能編制，而不需要掌握機(jī)器語(yǔ)言和特殊編程語(yǔ)言，在系統(tǒng)中增加或改變一個(gè)點(diǎn)不應(yīng)要求再編譯系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行可靠性，能對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在機(jī)電科調(diào)度中心的工控機(jī)上，也可以看到提升機(jī)的運(yùn)行狀況，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)發(fā)送短消息到管理人員的手機(jī)上，操作方便，便于管理?；谖锫?lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和處理功能為一體、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、界面友好。本文的研究成果已部分應(yīng)用在項(xiàng)目合作企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)管理中，取得了一定的效果。

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