振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦提升系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

郭華偉 李海鵬

（河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦主井提升為塔式提升系統(tǒng)，提升機(jī)為德國西馬格GHH-4×4 型摩擦輪式提升機(jī)，主電機(jī)為德國西門子公司生產(chǎn)的IDQ6034-6AA10-Z 型內(nèi)裝式他勵(lì)交流同步電動(dòng)機(jī)，摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪（也稱天輪，下同）直徑均為4 m。滾筒承載著首尾繩、雙箕斗和提升煤炭的重量，提升變位質(zhì)量32 508 kg，主軸標(biāo)高+55.65 m；導(dǎo)向輪引導(dǎo)鋼絲繩用于導(dǎo)向，變位質(zhì)量5400 kg，主軸標(biāo)高+47.15 m。

該礦主井提升系統(tǒng)缺少主電機(jī)滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控，在提升機(jī)運(yùn)行期間需依靠電鉗工現(xiàn)場(chǎng)巡視旋轉(zhuǎn)部位，根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)去判斷兩端軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，維護(hù)人員還需定期打開軸承端蓋檢查內(nèi)部磨損程度。人工巡檢這種傳統(tǒng)方式既浪費(fèi)了人力物力，又難以保證振動(dòng)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確及連續(xù)測(cè)量，不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和完成預(yù)警功能，嚴(yán)重制約了主井提升系統(tǒng)安全生產(chǎn)[1]。為化解上述風(fēng)險(xiǎn)，該礦根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，有效避免突發(fā)性重大事故的發(fā)生，保障提升系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案

該礦在主井提升機(jī)摩擦輪滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承兩端合適位置安裝振動(dòng)傳感器，用于將軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有規(guī)律的電流信號(hào)；在緊挨滾筒與導(dǎo)向輪之間合適位置安裝一套以西門子S7-200 SMART可編程控制器為核心的數(shù)據(jù)采集箱，用于采集振動(dòng)傳感器輸出的電流信號(hào)；將數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)可編程控制器CPU 以太網(wǎng)端口通過自動(dòng)化平臺(tái)工業(yè)交換機(jī)，接入該礦基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[2]，實(shí)現(xiàn)與提升機(jī)電控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)上互聯(lián)互通；運(yùn)用STEP7-Micro/WIN SMART 編程軟件編寫軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及聲光報(bào)警控制應(yīng)用程序，來處理振動(dòng)傳感器采集軸承運(yùn)行狀態(tài)下的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成實(shí)際工程值，經(jīng)基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)傳送到提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和監(jiān)視[3]；在基于組態(tài)軟件WinCC V7.3的原有監(jiān)控畫面組態(tài)基礎(chǔ)上，增添“陳四樓主井振動(dòng)監(jiān)控”界面，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示及振動(dòng)幅值過大報(bào)警指示功能；在主井提升機(jī)電控系統(tǒng)操作臺(tái)控制柜中，增添MY4N-J 型繼電器K、LTE-1101J 型旋轉(zhuǎn)式警鈴等電氣元器件，該繼電器線圈吸合及警鈴報(bào)警所需的DC24V 電源取自操作臺(tái)控制箱中的直流電源模塊，繼電器K 線圈吸合由數(shù)據(jù)采集箱中西門子S7-200 SMART 可編程控制器的輸出端Q0.0 控制，其一對(duì)常開輔助觸點(diǎn)再去控制旋轉(zhuǎn)式警鈴的通斷，來實(shí)現(xiàn)軸承振動(dòng)幅值過大時(shí)聲光報(bào)警功能。利用聲光報(bào)警及上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示功能，實(shí)時(shí)向提升機(jī)司機(jī)和工程技術(shù)人員展示滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承運(yùn)行狀態(tài)，給維護(hù)人員提供數(shù)據(jù)支撐與診斷參考，如圖1。

圖1 振動(dòng)監(jiān)控畫面效果圖

2 振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

振動(dòng)作為機(jī)械旋轉(zhuǎn)部位安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，振動(dòng)數(shù)據(jù)能直觀地反應(yīng)出旋轉(zhuǎn)部位的運(yùn)行工況，其數(shù)值通過振動(dòng)傳感器易于拾取，可在不影響機(jī)械安全運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)與潛在故障分析診斷。通過對(duì)振動(dòng)傳感器選型及布設(shè)的研究，確定采集終端性能參數(shù)、安裝位置，確保源頭數(shù)據(jù)精度及準(zhǔn)確性；對(duì)數(shù)據(jù)采集箱中可編程控制器進(jìn)行組網(wǎng)和編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集及外部聲光報(bào)警功能；對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)振動(dòng)監(jiān)控界面進(jìn)行組態(tài)及應(yīng)用，實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)數(shù)據(jù)和振動(dòng)幅值過大報(bào)警指示。

2.1 振動(dòng)傳感器的選型及布設(shè)

在傳感技術(shù)中，傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感系統(tǒng)獲取自然信源的信息量和信息質(zhì)量，是高品質(zhì)傳感技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)造的第一個(gè)關(guān)鍵[4]。為保證振動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量精度、性能穩(wěn)定以及安裝便捷性[2]，該礦選用二線制磁吸式振動(dòng)傳感器，型號(hào)為KZ9200-20-1。此傳感器與變送器一體化設(shè)計(jì)，接線簡單、維護(hù)方便，其主要參數(shù)：外部供電為24VDC，振動(dòng)速度信號(hào)量程為0～20 mm/s，輸出電流信號(hào)為4～20 mA，安裝方式為水平或垂直。

振動(dòng)傳感器應(yīng)放置在緊靠軸承和其支撐架接合處，在垂直于軸承軸線同一平面上，沿徑向方向安裝兩只相互垂直的傳感器[5]。該礦在主井提升機(jī)摩擦輪滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承兩端，沿垂直于軸線同一平面的水平方向X 和垂直方向Y，分別將上述型號(hào)傳感器依靠其自身磁性直接吸附安裝在軸承套指定位置。摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪東西兩軸共計(jì)安裝8只振動(dòng)傳感器。

2.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集PLC 的組網(wǎng)及編程

數(shù)據(jù)采集箱中西門子S7-200 SMART 可編程控制器，是由CPU ST20 模塊和兩塊擴(kuò)展的EM AE08模擬量輸入模塊組成。將安裝在主井提升機(jī)摩擦輪滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承東西兩端的8 只二線制振動(dòng)傳感器依次接入EM AE08 模擬量輸入模塊各端口，從AIW16 起始8 個(gè)字的地址，依次對(duì)應(yīng)8 路振動(dòng)信號(hào)模擬量輸入，如AIW16 為“天輪東軸振動(dòng)Y”、AIW18 為“天輪東軸振動(dòng)X”的輸入地址等。利用RJ45 插頭及雙絞網(wǎng)線將可編程控制器CPU 以太網(wǎng)端口與自動(dòng)化平臺(tái)工業(yè)交換機(jī)接口連接起來，接入該礦基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。在以太網(wǎng)通信協(xié)議之下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集箱中可編程控制器與提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，通過編程軟件對(duì)工控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程與調(diào)試[6]。

打開提前安裝在主井提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)中的編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART，新建“陳四樓主井振動(dòng)程序”項(xiàng)目，根據(jù)所選可編程控制器各模塊型號(hào)、版本和振動(dòng)傳感器型號(hào)，雙擊項(xiàng)目樹中系統(tǒng)塊圖標(biāo)進(jìn)入系統(tǒng)塊設(shè)置窗口，進(jìn)行硬件組態(tài)，對(duì)模擬量輸入模塊EM AE08 設(shè)置各通道類型、范圍等參數(shù)。在程序編寫過程中，通過調(diào)用模擬量轉(zhuǎn)換庫中S_ITR 指令，來處理振動(dòng)傳感器輸入的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)實(shí)際工程值。以第一路模擬量輸入AIW16 為例，分析程序邏輯關(guān)系：其中S_ITR指令使能端EN 前串聯(lián)一個(gè)始終接通的特殊寄存器SM0.0，確保程序每次掃描時(shí)執(zhí)行該條指令；Input為模擬量輸入通道，輸入需要轉(zhuǎn)換的數(shù)值，即模擬量輸入地址AIW16“天輪東軸振動(dòng)Y”；ISL、ISH 為可編程控制器運(yùn)算的模擬量最小值5530 與最大值27 648，對(duì)應(yīng)振動(dòng)傳感器輸出電流信號(hào)4～20 mA；OSL、OSH 為實(shí)際工程值最小值0 與最大值20，對(duì)應(yīng)振動(dòng)傳感器振動(dòng)速度信號(hào)量程0～20 mm/s；Output 為S_ITR 指令轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，存放在寄存器VD0 中。

根據(jù)該礦主井提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)定摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪軸承振動(dòng)速度過大故障報(bào)警閾值為3.0 mm/s，在編程過程中調(diào)用操作數(shù)為實(shí)數(shù)的比較指令︱≥R︱，讓現(xiàn)場(chǎng)軸承振動(dòng)實(shí)測(cè)值VD0等與故障報(bào)警閾值3.0 mm/s 作比較[7]。當(dāng)實(shí)測(cè)值VD0 ≥3.0 時(shí)，置位V100.0，此時(shí)V100.0 作為提升系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面第一路振動(dòng)數(shù)據(jù)幅值過大報(bào)警的當(dāng)前過程值，用于畫面組態(tài)；同時(shí)V100.0 與其余振動(dòng)通道V100.x 等常開點(diǎn)并聯(lián)后接輸出線圈Q0.0，實(shí)現(xiàn)8 路振動(dòng)監(jiān)測(cè)任何1 路或多路實(shí)測(cè)值大于故障報(bào)警閾值時(shí)，都能使輸出線圈Q0.0 得電輸出為1，以此作為外部聲光報(bào)警信號(hào)控制單元，使安裝在提升機(jī)操作臺(tái)控制柜中的繼電器K 線圈得電吸合，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)式警鈴的電源通斷，實(shí)現(xiàn)軸承振動(dòng)幅值過大時(shí)聲光報(bào)警功能。程序編寫完畢后，依次單擊編程軟件工具欄中的“保存”、“下載”圖標(biāo)，系統(tǒng)將把硬件組態(tài)和程序下載至可編程控制器中。

2.3 上位機(jī)振動(dòng)監(jiān)控界面的組態(tài)及應(yīng)用

安裝在上位機(jī)的組態(tài)軟件WinCC V7.3，可在其界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，形成工控所需的監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面及實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等[8]，為提升機(jī)司機(jī)和維護(hù)人員提供形象直觀的操作環(huán)境，提高了工作效率。在該礦原有的“陳四樓煤礦主井提升監(jiān)控系統(tǒng)”組態(tài)基礎(chǔ)上，新建一個(gè)名稱為“陳四樓主井振動(dòng)監(jiān)控”的監(jiān)控畫面，通過對(duì)該畫面組態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承運(yùn)行狀態(tài)。組態(tài)過程如下：

組態(tài)軟件WinCC 中沒有與S7-200 SMART CPU 通信的驅(qū)動(dòng)，兩者需靠OPC 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PC Access SMART 是西門子公司為S7-200 系列PLC 開發(fā)的OPC 軟件，通過此軟件可以讀取S7-200 SMART 可編程控制器程序中的變量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控功能或進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔管理[9]。在該礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)中安裝此軟件，依次設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)接口卡、條目屬性等參數(shù)后，將數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)S7-200 SMART 可編程控制器程序中有符號(hào)名如“天輪東軸振動(dòng)X”、“天輪東軸振動(dòng)X 報(bào)警”等所有變量，導(dǎo)入到此軟件中。

在 組 態(tài) 軟 件WinCC 與S7-200 PC Access SMART 軟件之間建立OPC 通信連接：啟動(dòng)安裝在該礦主井提升機(jī)電控系統(tǒng)上位機(jī)的組態(tài)軟件WinCC后，右鍵單擊左側(cè)瀏覽窗口中的“變量管理”，打開“WinCC Configuratiao Studio”對(duì)話框，在此窗口中右鍵單擊“變量管理”，在打開的快捷菜單中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，添加“OPC”驅(qū)動(dòng)；右鍵單擊“OPC Groups”后點(diǎn)擊“系統(tǒng)參數(shù)”，在“OPC 條目管理器”對(duì)話框中選擇“OPC.SimaticNET.1”，點(diǎn)擊窗口中“瀏覽服務(wù)器”進(jìn)行搜索并添加變量連接條目，將其命名為“振動(dòng)監(jiān)視”；在變量列表中點(diǎn)擊“添加條目”按鈕，添加“天輪東軸振動(dòng)X”、“天輪東軸振動(dòng)X 報(bào)警”等變量后，即可自動(dòng)建立連接。

右擊組態(tài)軟件WinCC 資源管理器中圖形編輯器，單擊“新建畫面”菜單項(xiàng)，創(chuàng)建并重命名為“振動(dòng)監(jiān)視.pdl”的一個(gè)過程畫面。在此畫面中添加“天輪東軸振動(dòng)X”等靜態(tài)文本，在各文本后面插入一個(gè)能顯示振動(dòng)實(shí)際值的“輸入/輸出域”和振動(dòng)幅值過大故障指示的“矩形”。當(dāng)軸承振動(dòng)實(shí)際值大于設(shè)定的故障報(bào)警閾值（3.0 mm/s）后，振動(dòng)幅值過大故障指示的“矩形”由綠色變成紅色。鼠標(biāo)右擊“天輪東軸振動(dòng)X”靜態(tài)文本后面的“輸入/輸出域”，依次單擊快捷菜單中“鏈接”、 “變量連接”，打開“變量連接的鏈接”對(duì)話框，右擊左側(cè)“天輪東軸振動(dòng)X”文字后，在下一個(gè)對(duì)話框中選擇天輪東軸振動(dòng)X 對(duì)應(yīng)的變量鏈接，點(diǎn)擊“確定”完成組態(tài)，如圖2 所示。同理組態(tài)其他變量后，依次單擊工具欄上的保存、激活圖標(biāo)按鈕，WinCC 即可運(yùn)行優(yōu)化的監(jiān)控畫面[10]。

圖2 上位機(jī)WinCC 監(jiān)控畫面的組態(tài)

3 效果分析

1）經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用軸承振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下提前預(yù)警和診斷，降低軸承故障概率，減少生產(chǎn)影響時(shí)間，為礦井高效生產(chǎn)提供強(qiáng)有力保障；同時(shí)檢修人員及時(shí)有效維護(hù)，確保滾筒及導(dǎo)向輪軸承在良好工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，增加其使用壽命，節(jié)省維修成本，最大限度減少人力、物力投入，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。

2）安全及社會(huì)效益。提升機(jī)滾筒及導(dǎo)向輪軸承在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行狀態(tài)，有利于技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，大大降低礦井安全風(fēng)險(xiǎn)，避免突發(fā)性重大事故發(fā)生，保障提升系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，給煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)帶來良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語

通過對(duì)陳四樓煤礦主井提升機(jī)滾筒、導(dǎo)向輪軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究及數(shù)據(jù)分析，完善了提升機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完備的顯示及報(bào)警功能，實(shí)時(shí)向提升機(jī)司機(jī)和工程技術(shù)人員展現(xiàn)滾筒、導(dǎo)向輪軸承運(yùn)行狀態(tài)，給主軸承維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐與診斷參考。實(shí)踐證明，振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在提升系統(tǒng)中應(yīng)用，有利于維保人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)提升機(jī)主軸承故障隱患，能夠遏制重大事故發(fā)生，確保提升系統(tǒng)安全有序運(yùn)行。