基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究

劉 杰 孟憲波 白星振

（1. 淄博礦業(yè)集團有限責任公司岱莊煤礦，山東 濟寧 272000；2. 山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

1 引言

目前提升機的運行環(huán)境比較惡劣，提升設備的自動化程度有限，其啟停、控制都是由現(xiàn)場工作人員實時操作，難免會出現(xiàn)失誤，導致提升機發(fā)生安全事故[1]。另外，由于提升設備型號多且結構系統(tǒng)復雜，其故障發(fā)生后的快速診斷及排除工作面臨著各種困難[2]。所以，設計一個有效的監(jiān)測系統(tǒng)來保證提升機運行的安全和穩(wěn)定顯得尤為重要。本系統(tǒng)結合先進的網(wǎng)絡技術、信息技術和自動化技術的優(yōu)勢，進行物聯(lián)網(wǎng)架構的礦井提升設備遠程工況監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設計，提高提升運行工況實時監(jiān)控及故障的診斷能力。

2 礦井提升機監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

礦井提升設備遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息測量模塊、網(wǎng)絡傳輸模塊、遠程控制平臺、視頻監(jiān)視系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成架構如圖1 所示。現(xiàn)場量測模塊由各類礦用傳感器和礦用攝像頭組成，在實際運行過程中，所需要的提升機的運行數(shù)據(jù)和控制柜的控制狀態(tài)數(shù)據(jù)可通過量測模塊獲得。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸模塊傳輸?shù)竭h程控制端，網(wǎng)絡傳輸模塊主要由光纖、光纖收發(fā)器和交換機組成，傳輸過程中采用DP 通訊，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，降低了通訊故障。遠程控制端由遠程控制平臺和視頻監(jiān)視系統(tǒng)組成，遠程控制平臺是對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行處理和分析之后，將提升機的運行狀態(tài)、故障信息通過光纖反饋給現(xiàn)場控制柜，使工作人員在集控室內(nèi)便可對提升機的故障進行判斷和處理。視頻監(jiān)視系統(tǒng)通過光纖將礦用攝像頭與位于副井絞車房的視頻監(jiān)視器相連，監(jiān)控人員可以清楚地通過監(jiān)視器監(jiān)視主井現(xiàn)場設備情況。另外，現(xiàn)場操作的每套提升機上都對應著一臺上位計算機，用來分別顯示各自提升機的運行狀態(tài)和重要參數(shù)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構

2.2 系統(tǒng)功能設計

本提升機遠程監(jiān)控系統(tǒng)在充分利用已有就地操作平臺的基礎上，基于光纖環(huán)網(wǎng)、海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析及動態(tài)信息服務等技術，主要實現(xiàn)以下功能：

（1）數(shù)據(jù)信息的采集及存儲；

（2）基于光纖冗余的可靠傳輸；

（3）遠程人-機交互，實時監(jiān)視、語音提示及控制；

（4）多角度、全方位視頻監(jiān)控；

（5）遠程故障診斷和故障輔助排查。

3 數(shù)據(jù)處理技術及故障診斷

3.1 數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)處理包含三部分內(nèi)容，分別是數(shù)據(jù)采集與整合、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和分析。數(shù)據(jù)處理框圖如圖2 所示，具體的模塊可如下描述。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由各類礦用傳感器和礦用攝像頭等部分組成，可采集數(shù)據(jù)的來源主要是提升機的運行數(shù)據(jù)和控制柜的控制狀態(tài)等數(shù)據(jù)[1]。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊。通過對數(shù)據(jù)庫進行篩選和整合，可以很好地滿足數(shù)據(jù)海量、多樣化和低成本的存儲要求，并且能夠?qū)⑦m合分析的數(shù)據(jù)篩選整合出來。

（3）數(shù)據(jù)處理和分析模塊：數(shù)據(jù)處理主要是指遠程操作站對數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息進行處理，運用大數(shù)據(jù)技術、信息融合技術、機器學習算法，對提升機運行狀態(tài)進行分析。

圖2 數(shù)據(jù)處理框圖

3.2 故障診斷

在故障診斷及維護方面，本論文基于提升機大數(shù)據(jù)，利用多類型的傳感器進行了信息融合，通過對提升機的運行工礦信息、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，構建出了一種在線的提升機故障診斷模型。在煤礦的實際生產(chǎn)過程中，由傳感器采集到的數(shù)據(jù)往往存在著數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)冗余、缺乏時效性等缺點，所以不能直接使用[3]。針對此類問題，本文采用了機器學習算法對數(shù)據(jù)進行了預處理，針對故障數(shù)據(jù)中存在的缺失值、連續(xù)值進行處理，使數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，提升了故障診斷的精度。

另外，根據(jù)以往的經(jīng)驗，現(xiàn)場的維護人員對提升機的故障描述具有差異性，采用遠程電話進行指導有時候不能很好地解決問題。當提升機發(fā)生故障時，專業(yè)技術人員通常不能及時趕赴現(xiàn)場進行處理。針對這一問題，此次設計安裝了遠程診斷軟件及服務終端，經(jīng)Internet 與控制廠家遠程服務中心連接，實時采集監(jiān)控提升機系統(tǒng)控制系統(tǒng)PLC 程序、實現(xiàn)故障診斷和程序修改、上傳和下載，第一時間在線解決現(xiàn)場設備故障，并依據(jù)云數(shù)據(jù)分析現(xiàn)場設備[4]，為用戶提供周期保養(yǎng)建議。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文根據(jù)預期實現(xiàn)的各種功能，設計了如圖3所示的系統(tǒng)主控界面圖。系統(tǒng)的主界面主要負責顯示當前提升機的運行狀態(tài)、電機運行參數(shù)、提升機的電氣參數(shù)、煤倉參數(shù)等系統(tǒng)實時參數(shù)信息。

圖3 系統(tǒng)的主控界面圖

系統(tǒng)操作界面左側設有安全回路、報警記錄、歷史曲線、保護測試、閘盤檢測五個按鈕，點擊對應的按鈕可以跳轉到對應的界面。安全回路的設計主要是用來確保系統(tǒng)安全可靠的運行，當發(fā)生整流柜故障、電源欠壓故障、尾繩故障等意外情況時，安全回路中對應的繼電器會斷開。此外，在遠程操作站設有緊停按鈕，可直接控制安全回路的中斷。系統(tǒng)的安全回路設計如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)的安全回路設計圖

報警界面可以查看提升機運行過程中產(chǎn)生的報警信息。報警信息包括報警時間、報警錯誤類型等信息。歷史曲線可以用來查看提升機運行過程中產(chǎn)生的歷史信息，保護測試界面可以對提升機的主要保護性能進行測試，閘盤顯示界面可以顯示各井閘盤間隙的大小和閘盤的工作狀態(tài)。提升機運行的歷史曲線如圖5 所示。

圖5 歷史曲線

5 總結

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術+光纖傳輸技術+工業(yè)DP通訊技術將信息感知、網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)處理技術融為一體，設計了一套配置主井智能化集中提升系統(tǒng)，解決了目前礦井監(jiān)測系統(tǒng)存在的布線困難、搭建難度較大等問題[5]，節(jié)省了提升設備的檢修成本，提高了提升設備運行的安全性和可靠性[6]，實現(xiàn)了對礦井提升系統(tǒng)的無人值守智能控制。