礦用提升機(jī)械裝置的監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的研究

王新亮

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 臨縣 033200）

引言

礦用提升機(jī)作為井下煤礦運(yùn)輸及貨物運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，已在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用。而隨著設(shè)備控制技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)下實(shí)現(xiàn)提升機(jī)智能化檢測(cè)控制顯得十分重要[1]。對(duì)礦用提升機(jī)中的機(jī)械裝置（電機(jī)、減速器及滾筒、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、斜井串車(chē)稱(chēng)重部分）工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及故障診斷，已成為提高提升機(jī)自動(dòng)化控制水平的關(guān)鍵點(diǎn)[2]。目前，國(guó)內(nèi)尚未對(duì)礦用提升機(jī)中的機(jī)械裝置工作狀態(tài)進(jìn)行全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及故障診斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其部件運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。為此，對(duì)該系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并最終進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及可行性。

1 提升機(jī)械裝置監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用的必要性

煤礦生產(chǎn)企業(yè)大多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，煤礦各個(gè)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)自成體系。以礦用提升機(jī)為例，該設(shè)備上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息存在不能共享問(wèn)題，且每個(gè)煤礦使用多個(gè)廠(chǎng)家的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要對(duì)使用維護(hù)人員分別進(jìn)行培訓(xùn)，監(jiān)測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家也需要經(jīng)常定期到設(shè)備安裝單位進(jìn)行維護(hù)巡查，造成巨大的人力、物力和信息浪費(fèi)[3]。

這些煤礦監(jiān)測(cè)生產(chǎn)廠(chǎng)家需要遠(yuǎn)程巡查，如果使用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，既及時(shí)發(fā)現(xiàn)了提升機(jī)被監(jiān)測(cè)部件的故障，又可以節(jié)省大量人力物力[4]。而礦用提升機(jī)機(jī)械裝置狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)具備機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析故障診斷等功能，既可使專(zhuān)業(yè)工程師在遠(yuǎn)程或異地就能對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控和故障處理，同時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員快速進(jìn)行故障排除；又可使主管領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，采取有效的處理措施。目前，成熟的方案主要采用遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為媒介，不受距離和環(huán)境影響，擁有良好的抗干擾能力。它將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與診斷提升至遠(yuǎn)程多人監(jiān)測(cè)和診斷，有效避免了因現(xiàn)場(chǎng)人為或信息傳遞阻塞而造成事故傳達(dá)的不及時(shí)。有利于高層及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，采取及時(shí)有效的措施。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)安裝方便，只需更改現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)程序并增加GPRS 遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，用戶(hù)需安裝應(yīng)用程序就可以實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)端監(jiān)測(cè)界面，掌握設(shè)備運(yùn)行工況信息。

綜上分析，對(duì)提升機(jī)機(jī)械裝置進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用，無(wú)論對(duì)設(shè)備本身還是對(duì)保證企業(yè)的正常生產(chǎn)作業(yè)都具有重要的積極意義，非常有必要開(kāi)展該系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

2 監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合礦用提升機(jī)機(jī)械裝置的功能特點(diǎn)，對(duì)該裝置中的監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由多種傳感器（油壓、位移、振動(dòng)、溫度等傳感器）、信號(hào)采集卡、高速振動(dòng)采集卡、工控機(jī)、采集箱、信號(hào)調(diào)理器及相關(guān)配套器件組成，傳感器包括安裝在閘瓦上的閘間隙傳感器、安裝在閘內(nèi)部的正壓力傳感器、焊接在油管上的油壓傳感器、軸兩端的三向振動(dòng)傳感器、熱電偶溫度傳感器、稱(chēng)重傳感器等多種傳感器組成，而處于信號(hào)處理關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是由基于NI LabVIEW 平臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的，它完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析[5]。該監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的工作原理為通過(guò)多路傳感器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將采集到的振動(dòng)、溫度、制動(dòng)正壓力、閘間隙、提升前串車(chē)重量和潤(rùn)滑油壓、溫度等信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理，通過(guò)動(dòng)畫(huà)、數(shù)值、文字等顯示，并進(jìn)行故障診斷、報(bào)警，便于維修人員和司機(jī)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，為事后查詢(xún)和分析故障提供依據(jù)；另外，通過(guò)該系統(tǒng)中的GPRS 來(lái)實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程服務(wù)器中的存儲(chǔ)和故障診斷。整套監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)機(jī)械裝置監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3 監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)關(guān)鍵分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 液壓站監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓站是制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為各制動(dòng)閘提供壓力油，以達(dá)到開(kāi)閘和制動(dòng)。若閘松不開(kāi)而導(dǎo)致提升機(jī)不能運(yùn)行，只是故障，不屬于安全事故，若提升機(jī)正在運(yùn)行必須制動(dòng)時(shí)卻不能回油制動(dòng)，將導(dǎo)致所有制動(dòng)閘不能制動(dòng)的重大安全事故，液壓站的可靠性決定了提升機(jī)的安全運(yùn)行[6]。因此，對(duì)提升機(jī)液壓站進(jìn)行了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先在液壓站轉(zhuǎn)軸法蘭盤(pán)及機(jī)身上分別安裝了振動(dòng)傳感器及溫度傳感器，主要負(fù)責(zé)對(duì)液壓站運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)情況及機(jī)身表面溫度進(jìn)行信號(hào)采集及監(jiān)測(cè)，其安裝位置如圖2 和圖3 所示。同時(shí)，在液壓站上安裝油壓傳感器和安全制動(dòng)回油時(shí)間監(jiān)測(cè)板，可監(jiān)測(cè)一級(jí)制動(dòng)油壓、二級(jí)制動(dòng)油壓，監(jiān)測(cè)安全制動(dòng)時(shí)間、液壓站殘壓等信號(hào)，從而診斷回油路的暢通和堵塞情況。另外，在液壓站上安裝的緊急手動(dòng)回油裝置，是對(duì)安全制動(dòng)失靈采取的補(bǔ)救措施，確保制動(dòng)閘回油制動(dòng)可靠。由此，通過(guò)在提升機(jī)液壓站上安裝各類(lèi)檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓站運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)的采集及檢測(cè)。

3.2 系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能充分發(fā)揮其功能，軟件設(shè)計(jì)的好壞是關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用模塊化層次化的思想進(jìn)行編寫(xiě)，除了能滿(mǎn)足分析與監(jiān)控的功能外，還具有操作簡(jiǎn)單、界面友好直觀(guān)、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。由此，基于LabVIEW7 Express 平臺(tái)，對(duì)提升機(jī)械裝置狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)主要包括信號(hào)采集模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、比較報(bào)警模塊、內(nèi)存管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等，具體結(jié)構(gòu)框架圖如圖4 所示。通過(guò)對(duì)幾大模塊分別進(jìn)行模塊內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)及通訊接口設(shè)計(jì)，匯總實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)提升機(jī)機(jī)械裝置的監(jiān)測(cè)及診斷作用，并通過(guò)編輯的相關(guān)程序軟件，將最終結(jié)果在顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 振動(dòng)傳感器安裝圖

圖3 溫度傳感器安裝圖

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件構(gòu)成框圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和查詢(xún)的設(shè)計(jì)

對(duì)煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，為獲得設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，為分析事故原因、調(diào)查設(shè)備狀況提供參考，需要詳盡的設(shè)備運(yùn)行記錄。為了更好地管理和分析數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)采用了應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)。利用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)，主要是利用LabVIEW 用戶(hù)開(kāi)發(fā)的免費(fèi)LabVIEW 數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)工具LabSQL 進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)，而LabSQL 工具則主要是利用Microsoft ADO 以及SQL 語(yǔ)言來(lái)完成。在整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)中，主要將復(fù)雜的低層ADO 和SQL操作封裝成一系列的LabSOL VIs，簡(jiǎn)單易用，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄及查詢(xún)程序如圖5 所示。由此，完成了監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄及查詢(xún)。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)記錄及查詢(xún)程序圖

4 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的整體綜合性能，對(duì)其在提升機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，安裝該監(jiān)控系統(tǒng)后，有效避免了提升機(jī)的停車(chē)故障檢修，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)制動(dòng)正壓力，并發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警提示，使得維修人員對(duì)提升機(jī)的故障排除及維修時(shí)間縮短了將近一半，有效杜絕了因井下設(shè)備故障而造成的人員傷亡事故，提高了人員的作業(yè)安全性；同時(shí)也增加了提升機(jī)的提煤量和提物提人量，若每天總共的損失時(shí)間按2 h 計(jì)算，安裝該系統(tǒng)后，可節(jié)約將近30 min。另外，提升機(jī)維修人員可減少1 個(gè)，每年可直接及間接給企業(yè)帶來(lái)將近100萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)收入，經(jīng)濟(jì)效益比較可觀(guān)。