礦井提升機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

馬 斌

（大同煤礦集團有限公司忻州窯礦，山西大同 037021）

0 引言

煤炭資源是我國的基礎(chǔ)能源之一，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金等行業(yè)，與我國經(jīng)濟的基礎(chǔ)建設(shè)與發(fā)展緊密相連［1］。礦井提升機是煤礦生產(chǎn)過程中的一種交通運輸工具，主要負(fù)責(zé)物料以及人員的升降工作［2］。礦井提升機如果發(fā)生故障，輕則降低煤礦的生產(chǎn)效率，影響經(jīng)濟效益，重則威脅工人的生命安全［3］。因此，提高礦井提升機的安全性，保障工作過程的穩(wěn)定性是十分必要的。目前，國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用人工監(jiān)測的方式對提升機的運行參數(shù)進(jìn)行采集，不僅耗費了巨大的人力物力，最終達(dá)到的監(jiān)測效果也很有限［4－5］。所以本文針對石巖莊提升機的技術(shù)特征設(shè)計了一種在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

1 提升機技術(shù)特征及故障分析

礦井提升機通過鋼絲繩與滾筒之間產(chǎn)生的表面摩擦力來牽引井筒中的罐籠，完成工作人員或者物料的運送任務(wù)。本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)基于某提升機的應(yīng)用背景，提升機主要由電動機、減速裝置、液壓制動系統(tǒng)、潤滑裝置、滾筒、鋼絲繩、深度指示器、罐籠和電控系統(tǒng)等組成［6］。該提升機的技術(shù)特征如表1所示。

為了更加合理地監(jiān)測提升機運行狀態(tài)，對提升機的故障進(jìn)行了分類分析，主要可分為鋼絲繩打滑、主軸故障、減速器故障、制動裝置故障、液壓系統(tǒng)故障及潤滑系統(tǒng)故障。鋼絲繩負(fù)責(zé)連接滾筒與罐籠，當(dāng)鋼絲繩表面受到污染或者提升機超載的情況下可能發(fā)生打滑，應(yīng)對鋼絲繩涂敷增摩油。減速器的故障主要來源于齒輪與軸承，如齒輪出現(xiàn)裂紋或者斷裂情況時，齒輪之間的磨損增大，嚙合度下降，各傳動軸會產(chǎn)生一定的振動，導(dǎo)致軸承的磨損增大，引起減速器整體溫

表1 石巖莊提升機技術(shù)特征

度的上升。制動裝置故障是指制動器無法正常制動，當(dāng)制動器表面磨損嚴(yán)重，閘瓦溫度升高等現(xiàn)象時，會引起制動器失效，無法完成制動任務(wù)。液壓系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為提升機減速或停機時，提供制動阻力，在制動過程中，空氣可能會進(jìn)入液壓系統(tǒng)，油壓發(fā)生波動，導(dǎo)致制動效果不明顯等故障。潤滑系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對機械設(shè)備的降溫，通常潤滑油的溫度應(yīng)保持在20～50℃之間，當(dāng)潤滑油溫度過高時就會失去潤滑作用。

2 系統(tǒng)方案及硬件選型設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

礦井提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要包括上位機、絞房監(jiān)控分站、傳感器模塊等設(shè)備，其中上位機與監(jiān)控分站通過工業(yè)以太網(wǎng)的方式實現(xiàn)信息傳輸。傳感器模塊包括潤滑系統(tǒng)溫度傳感器、主軸振動傳感器、閘瓦間隙傳感器、液壓系統(tǒng)壓力傳感器、液壓系統(tǒng)溫度傳感器。上位機是整個系統(tǒng)的監(jiān)控大腦，負(fù)責(zé)實時監(jiān)測與查看提升機的運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與管理等工作。監(jiān)控分站通過計算分析傳感器采集到的數(shù)值，根據(jù)預(yù)設(shè)闕值比較，判斷運行過程是否發(fā)生故障，并通過報警器報警等。

2.2 PLC控制柜的選型設(shè)計

PLC控制器作為一種工業(yè)控制器，具有工作可靠穩(wěn)定的優(yōu)點，常被用于環(huán)境復(fù)雜，自動化程度高的工業(yè)控制領(lǐng)域。本文根據(jù)系統(tǒng)I／O口的需求數(shù)與控制要求，選用西門子公司生產(chǎn)的S7－200系列PLC控制器，具體型號為CPU226，處理器自帶24位輸入輸出接口和7個擴展模塊，可滿足監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與功能要求［7］。

本文所設(shè)計的PLC控制柜的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電源部分、中央處理器、輸入輸出單元、存儲單元、外設(shè)I／O接口與擴展接口等。中央處理器即CPU部分，包括運算器與控制器，是整個控制柜的核心部分，主要負(fù)責(zé)下載并運行軟件中編譯好的程序，并將結(jié)果輸送給輸出單元。存儲器包括RPROM與RAM，分別存放系統(tǒng)程序與用戶程序。輸入輸出單元分別負(fù)責(zé)采集提升機的運行狀況與向外部設(shè)備輸出處理結(jié)果。電源部分可以滿足220 V交流與24 V直流的供電需求。外設(shè)I／O接口連接的設(shè)備主要有編程器、打印機、上位機與變送器。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

圖2 PLC控制柜硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳感器模塊選型設(shè)計

傳感器是測量提升機運行參數(shù)的裝置，在對各傳感器選型時應(yīng)當(dāng)充分考慮應(yīng)用場景與數(shù)據(jù)測量范圍。主軸振動傳感器選用YD9810一體化傳感器，可同時監(jiān)測主軸徑向X位移量與Y位移量，工作溫度為－20～60℃之間，測量誤差在8 mm以下。閘瓦間隙傳感器選用中礦科匯公司生產(chǎn)的ZWY－8接觸式傳感器，測量范圍為0～8 mm，測試誤差小于±0.5%，而提升機正常運行下，閘瓦縫隙小于2 mm，所以該傳感器滿足測量要求。

液壓系統(tǒng)在正常工作情況下油壓范圍在0～5 MPa之間，工作溫度10～50℃，選用MPT230壓力傳感器測量油壓信號，該裝置工作溫度－30－90℃，可將不同的壓力信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流信號。潤滑系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的工作油溫為10～50℃，選用數(shù)顯溫度傳感器LFJ－WZPSX，具有精度高、耐腐蝕和抗干擾的優(yōu)點，測溫范圍為－25～85℃，基本誤差在±0.1%FS。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集與故障診斷與預(yù)警功能，其中系統(tǒng)的軟件程序通過STEP7－Micro軟件進(jìn)行編譯，可同時支持STL、LAD與FBD三種語言編程，具有界面簡單、集成度高的優(yōu)點。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。在系統(tǒng)運行前，通過鍵盤輸入各類型信號的預(yù)警值與報警值。在初始化后，通過傳感器采集各運行參數(shù)，分別于預(yù)警值于報警值進(jìn)行比較，當(dāng)小于預(yù)警值時，表示提升機正常工作；當(dāng)大于或等于預(yù)警值，小于報警值時，系統(tǒng)預(yù)警提示提升機存在發(fā)生故障的風(fēng)險；當(dāng)大于或等于報警值時，表明提升機發(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)立即報警，并停機維修。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于PLC控制器的礦井提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過各信息采集模塊，實時監(jiān)測石巖莊煤礦提升機的運行狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。系統(tǒng)程序中設(shè)有預(yù)警值與報警值2個闕值，具有一定的故障預(yù)警功能，可有效避免提升機安全事故的發(fā)生。