礦井提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)與研究

摘要：在當(dāng)前的采礦活動(dòng)中，礦井提升機(jī)是不可或缺的一類機(jī)電設(shè)備，其運(yùn)行情況不僅直接關(guān)系到礦井的整體生產(chǎn)力而且還關(guān)系到井下職工的生命財(cái)產(chǎn)安全。本篇論文就國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界針對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀展開(kāi)了深入分析，同時(shí)提出了一種新的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以 GPRS通訊和 PLC控制為基礎(chǔ)，現(xiàn)就其工控機(jī)軟件與可編程式邏輯控制器程序兩個(gè)方面的配置與實(shí)現(xiàn)展開(kāi)介紹。

1常規(guī)斜井提升機(jī)的工作原理

當(dāng)前采礦業(yè)常用的提升機(jī)類設(shè)備其主要結(jié)構(gòu)包括以下幾大分系統(tǒng)：（1）動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)：該部分的主要構(gòu)成為電機(jī)、主軸裝置與減速器；（2）制動(dòng)系統(tǒng)：主要有液壓泵站、制動(dòng)器及制動(dòng)間盤(pán)；（3）潤(rùn)滑系統(tǒng)：主要結(jié)構(gòu)為管路與泵站；（4）操縱于觀測(cè)系統(tǒng)：主要包含深度指示器和操作臺(tái)兩大部分；（5）拖動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)：該分系統(tǒng)帶有專門(mén)的裝置提供安全保護(hù)，在其作用下提升機(jī)能夠進(jìn)行平穩(wěn)的啟停、轉(zhuǎn)向和變速等相關(guān)操作。

當(dāng)前主井與副井所用的提升系統(tǒng)分別為斜井箕斗和串車(chē)提升兩種，其構(gòu)成為：兩根鋼絲繩一端纏繞在提升機(jī)滾筒上一端經(jīng)過(guò)天輪同箕斗相連，箕斗部分處于井下等待裝煤，部分處于井上棧橋卸煤。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)處于井下的礦車(chē)在翻車(chē)機(jī)的作用下將其乘載的煤轉(zhuǎn)入處于井下的煤倉(cāng)之中，其后在工作人員的操控下倉(cāng)內(nèi)的煤進(jìn)去箕斗之中，在提升機(jī)的作用下箕斗中的煤最終進(jìn)入處于地面的煤倉(cāng)。因?yàn)閹?dòng)箕斗的鋼絲繩一端同滾筒相連，所以提升機(jī)開(kāi)動(dòng)后隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絲繩將帶動(dòng)箕斗在斜井內(nèi)往復(fù)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)煤的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)該在線系統(tǒng)主要具有以下幾項(xiàng)功能：

（1）實(shí)時(shí)采集并分析提升機(jī)的具體運(yùn)行信息，主要內(nèi)容包含有：監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電氣參數(shù)；監(jiān)測(cè)液壓站的實(shí)時(shí)壓力、油溫有無(wú)超標(biāo)；監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況；確定設(shè)備存在的缺陷與出現(xiàn)的故障；監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤(pán)有無(wú)偏擺、閘瓦間隙大小；利用無(wú)線訊號(hào)發(fā)送及接收設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。

（2）安裝在現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)能夠借助網(wǎng)絡(luò)對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而及時(shí)對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的故障做出診斷。

（3）監(jiān)測(cè)站獲得的設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及工控機(jī)做出的分析結(jié)果都將顯示在監(jiān)控中心；借助曲線圖可以在監(jiān)控中心直觀的了解設(shè)備運(yùn)行狀況的具體變化。

（4）設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況時(shí)將實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)，與此同時(shí)系統(tǒng)還將以短信息的方式發(fā)出警報(bào)，并且該警報(bào)將被收錄入相關(guān)記錄內(nèi)。

（5）某一時(shí)段內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行、操作、故障等相關(guān)信息都可以打印成報(bào)表供管理人員進(jìn)行查閱，該方式不僅有助于工作人員及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行排查，而且還可以提供真實(shí)的歷史數(shù)據(jù)，從而方便進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)仿真。

本次設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將按照“現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站遠(yuǎn)程監(jiān)控中心”的經(jīng)典模式進(jìn)行建設(shè)。其中選用OPC 服務(wù)器和西門(mén)子公司的 PPI協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)通信；遠(yuǎn)程通信則利用公網(wǎng)的固定式IP 進(jìn)行組網(wǎng)，其后搭配GPRS 。從組成來(lái)看，安裝在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)站其核心結(jié)構(gòu)包括電源、傳感器及電控系統(tǒng)以及工控機(jī)、PLC 、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和負(fù)責(zé)采集模擬量的模塊等等；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的核心結(jié)構(gòu)主要為計(jì)算機(jī)，其配備的計(jì)算機(jī)均帶有固定IP，借助網(wǎng)絡(luò)該中心能夠監(jiān)測(cè)提升機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，同時(shí)還能對(duì)其故障做出及時(shí)診斷。下圖1對(duì)該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成做出了簡(jiǎn)單示意：

3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控系統(tǒng)其數(shù)據(jù)采集及相關(guān)處理選用了西門(mén)子公司的可編程式邏輯控制器 PLC，考慮到系統(tǒng)的兼容性與穩(wěn)定性需求，最終決定選用型號(hào)為SINAUTMD720-3的模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的無(wú)線通訊。因?yàn)楫?dāng)前的GPRS 技術(shù)在實(shí)時(shí)性方面有所欠缺無(wú)法實(shí)時(shí)處理振動(dòng)信號(hào)等相關(guān)信息，綜合考慮后本系統(tǒng)決定首先借助PPI 協(xié)議和 PC/PPI電纜與工控機(jī)對(duì)采集到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理，其后再將故障信息發(fā)送給PLC ，按照該設(shè)計(jì)PLC 需要傳輸?shù)男畔⒘繉⒋蟠鬁p少，而且整個(gè)系統(tǒng)還能對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障預(yù)警等相關(guān)操作。

4基于PLC控制技術(shù)的GPRS 通信模塊

西門(mén)子公司針對(duì)型號(hào)為S7-200的PLC 專門(mén)開(kāi)發(fā)了一款型號(hào)為 STEP7-Micrp/WIN的專業(yè)編程軟件，使用西門(mén)子 的用戶在開(kāi)發(fā)過(guò)程中將不可避免的用到該工具，該編程工具對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以及設(shè)備的檢測(cè)、調(diào)試等工作均有著極大幫助。

PLC中針對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)開(kāi)關(guān)量可以進(jìn)行直接提取，在西門(mén)子提供了一個(gè)專業(yè)的指令庫(kù)，借助該指令庫(kù)的換算比例可以將傳感裝置采集的模擬量訊號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換從而獲得實(shí)際模擬量。本篇論文主要對(duì)無(wú)線通訊的確立過(guò)程以及短信發(fā)送程序的切換操作進(jìn)行了著重介紹。

從操作模式來(lái)看SINAUTMD720-3共有AT 與GPRS 兩種，即終端與OPC 兩大模式。從功能來(lái)看AT 模式的核心功能為收發(fā)短信； GPRS模式的核心功能在于負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn) OPC服務(wù)器與S7-200 的通訊。利用上述編程工具編寫(xiě)短信發(fā)送以及 通訊兩個(gè)程序時(shí)需要用到西門(mén)子公司的專業(yè)程序庫(kù)。為確保實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，必須要利用PPI電纜將 的通訊接口（ RS485）同 SINAUTMD720-3 對(duì)應(yīng)的接口（RS232 ）進(jìn)行連接。

為確保應(yīng)用SMS 與GPRS 兩大功能時(shí)更加的安全、方便與穩(wěn)定，下文將對(duì)上述兩種模式的切換操作展開(kāi)針對(duì)性介紹。調(diào)制解調(diào)器與CPU 通訊口即PPI 或自由口的通訊模式主要依靠WDC CONTROL 功能塊負(fù)責(zé)修改，該功能模塊存在于SINAUT MICRO SC 指令庫(kù)內(nèi)，其核心功能在于切換AT 與GPRS 兩種指令。下面簡(jiǎn)單介紹其運(yùn)行時(shí)的主要操作過(guò)程：

（1）CPU運(yùn)行時(shí)，其通訊接口將從與調(diào)制解調(diào)器的連接狀態(tài)切換至自由口狀態(tài)；

（2）等待GPRS 連接的建立；

（3）連接成功后，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站將立刻登錄；

（4）當(dāng)用戶需要利用AT指令對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行直接訪問(wèn)時(shí)，比如需要發(fā)送短消息時(shí)必須要將模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其處于AT 模式下。要向功能模塊WDC CONTROL中的 變量發(fā)送一個(gè)專門(mén)的訊號(hào)用以喚醒ACT-AT-MODE 模式。

5結(jié)束語(yǔ)

從內(nèi)容來(lái)講，第一步文章首先對(duì)無(wú)線通訊各種傳輸模式的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，其中重點(diǎn)對(duì)無(wú)線通訊的優(yōu)勢(shì)與選擇組網(wǎng)方式兩個(gè)方面展開(kāi)了描述。第二步介紹了該系統(tǒng)的總方案，并對(duì)系統(tǒng)選用的主要硬件進(jìn)行了說(shuō)明。文章最后介紹了本系統(tǒng)所用的各種軟件，并點(diǎn)明了以PLC 為基礎(chǔ)的GPRS 通訊的具體實(shí)現(xiàn)辦法。

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