物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用下的礦井機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方案設(shè)計

楊秀文

（山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

近幾年，國家對煤礦安全生產(chǎn)的重視程度不斷提高，并于2013年6月提出“各大煤礦要完善‘六大系統(tǒng)’建設(shè)”的要求，要求各礦確保高產(chǎn)量、高安全、高可靠性的運行。機電設(shè)備是煤礦生產(chǎn)中的核心，其機械化與智能化水平直接體現(xiàn)了煤礦自動化水平，這就要求煤礦企業(yè)必須提高對機電設(shè)備的管理與維護水平。礦井機電設(shè)備無論是對煤炭開采與運輸，還是提升部分都至關(guān)重要，需要企業(yè)在生產(chǎn)過程中保持對機電設(shè)備運行狀態(tài)的實時掌控。傳統(tǒng)機電設(shè)備檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測、故障報警、跟蹤定位等功能，但監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜，投資成本較大。本文引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托物聯(lián)網(wǎng)來解決這一難題，進而實現(xiàn)更高水平、更低成本的礦井機電設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。

1 機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測總體設(shè)計方案

1.1 總體框架

狀態(tài)監(jiān)測總體框架分為感知層、傳輸層與應(yīng)用層，其中感知層應(yīng)用到的主要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括Zigbee技術(shù)、RFID技術(shù)、無線傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要技術(shù)有無線局域網(wǎng)技術(shù)、GPRS技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；應(yīng)用層主要技術(shù)有信息融合技術(shù)與云計算技術(shù)。系統(tǒng)主要面向井下采掘、運輸機電設(shè)備，以及地面提升、通風(fēng)機電設(shè)備。

井下部分的機電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)由帶式輸送機上的無線傳感器節(jié)點、采掘設(shè)備構(gòu)成的小型物聯(lián)網(wǎng)、巷道安裝的讀卡器與基站構(gòu)成，監(jiān)控數(shù)據(jù)通過光纖到達(dá)調(diào)度中心。地面物聯(lián)網(wǎng)則由主井與副井絞車房組成，遠(yuǎn)距離采用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，近距離則采用光纖通信。通風(fēng)設(shè)備自組成小型物聯(lián)網(wǎng)，最終匯集到調(diào)度中心，基于地面以太網(wǎng)組成無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。地面部分以4G網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)組合，將井下部分物聯(lián)網(wǎng)與地上部分物聯(lián)網(wǎng)的所有數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心，最終形成煤礦機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是建立在云計算的平臺上，云計算技術(shù)可實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的存儲分析，且數(shù)據(jù)通信根據(jù)井下、地面的實際情況，科學(xué)選取光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)或者無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并配合4G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等無線傳輸技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的匯總傳輸。這樣管理人員通過手持移動智能設(shè)備便可獲取設(shè)備檢測數(shù)據(jù)，提高了在線檢測的效果。

1.2 礦井帶式輸送機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

帶式運輸機是煤礦運輸?shù)拇髣用}，由于其工作環(huán)境惡劣，工作負(fù)荷大，導(dǎo)致其在運轉(zhuǎn)中容易出現(xiàn)斷裂、打滑、堆煤、跑偏、縱向撕裂、托輥失效等故障。根據(jù)礦井帶式輸送機的工作原理，針對當(dāng)前帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問題，以及《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的至少六種保護功能，輸送機主要故障監(jiān)測設(shè)計方案如下：

表1 輸送機主要故障監(jiān)測方案

帶式輸送機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在原有工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)WSN+工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，其中CCD高速工業(yè)相機和探測器數(shù)據(jù)采用光纖傳輸，其他數(shù)據(jù)采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。整個系統(tǒng)分為上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)兩部分，其中上位機使用Win CC組態(tài)軟件設(shè)計，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、處理，以及界面顯示、控制指令，下位機系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸。

下位機的數(shù)據(jù)采集前段設(shè)計中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由傳感器模塊、無線通信模塊、處理模塊、能量供應(yīng)模塊組成。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

巷道基站接收器接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)。輸煤皮帶上按一定間距安裝移動電子標(biāo)簽和RFID系統(tǒng)，然后通過讀卡器讀取移動標(biāo)簽發(fā)出的無線信號，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到Zigbee主節(jié)點。數(shù)據(jù)采集前段采集的數(shù)據(jù)通過設(shè)備接入層接入到地面監(jiān)測系統(tǒng)，其中企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用防火墻安全隔離。

2 礦井提升機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 狀態(tài)監(jiān)測總體方案

本文礦井提升機的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要面向提升容器、液壓系統(tǒng)、主軸裝置、減速器、制動裝置、輔助系統(tǒng)、電動機、鋼絲繩等部位進行監(jiān)測。系統(tǒng)總分為三模塊、四層設(shè)計，如下表所示：

表2 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

對提升機的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)主要選取電壓、電流、液壓系統(tǒng)壓力、主軸振動、閘瓦間隙檢測、主軸潤滑檢測、滑繩量檢測。系統(tǒng)包括現(xiàn)場采集檢測系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)三部分，采集數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，然后通過GPRS傳輸?shù)降V區(qū)檢測中心。

2.2 檢測系統(tǒng)傳感器選型

傳感器選型要求包括靈敏度、線性度、精度、分辨力等，此外還需綜合考慮傳感器的量程、遲滯、穩(wěn)定性、響應(yīng)特征、測量范圍等特征。油壓、溫度傳感器的選擇中，壓力變送器采用MDM4951系列，溫度傳感器選用JWB/Pt100型溫度變送器。提升機速度傳感依靠安裝在提升機電機主軸上的編碼器與深度指示器完成監(jiān)測保護，將編碼器接到PLC高速脈沖輸入端。提升機工作電壓檢測采用60:1的電壓互感器減壓，通過PLC模擬量采集模塊采集電壓。提升機電流檢測使用電流變送器變小電流，然后通過PLC的模擬量采集模塊采集數(shù)據(jù)。采用電渦流傳感器監(jiān)測閘瓦間隙、閘盤偏擺量、閘瓦磨損、主軸振動等狀態(tài)。采用速度編碼器監(jiān)測滑繩量。

2.3 信號采集與傳輸設(shè)備選型設(shè)計

將傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)升級為無線監(jiān)測系統(tǒng)，采用GPRS技術(shù)作為無線傳輸，PLC選用SIEMENS公司的S7-22型號，集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點，1路模擬量輸出點與2個模擬量輸入點。本系統(tǒng)選用數(shù)字量采集模塊EM221一塊，模擬量采集模塊EM231三塊，CPU224XP一塊。PLC擴展模塊、傳感器均通過PLC電源輸出供電，可編程控制器則選用交流110V/230V供電。

2.4 無線傳輸模塊選型設(shè)計

由于本系統(tǒng)采集控制器選用的是西門子的S7-200系列，因此GPRS無線收發(fā)模塊和配套通訊管理軟件同樣選用西門子配套系列。在無線傳輸系統(tǒng)部分，主要包括天線、GPRS通信管理軟件SINAUT MICRO SC、SINAUT MD720-3 GPRS調(diào)制調(diào)節(jié)器，以及實現(xiàn)S7-200型PLC與移動通信系統(tǒng)的無線連接。系統(tǒng)組網(wǎng)方式選用中心公網(wǎng)固定IP方式，實現(xiàn)監(jiān)測子站與檢測中心的直接連接。無線傳輸模塊設(shè)計完成后，傳感器采集到信號傳輸?shù)焦た貦C上，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測站，在顯示屏上可實現(xiàn)實時監(jiān)控。升降機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動給管理人員發(fā)信息。

3 副斜井提升機監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計需要滿足基本功能要求，包括簡便易操作，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測且能以短信的方式將故障第一時間發(fā)送給管理人員，能夠根據(jù)用戶需求實時生成故障報表。為適應(yīng)未來發(fā)展需求，系統(tǒng)需要具有可擴展性，留有備用空間。此外，系統(tǒng)的故障報警可靠性要高，且各監(jiān)測傳感器的精度要高，誤差小。在性能上要滿足實時性、集成性、擴展性、開放性與可靠性要求。

監(jiān)測系統(tǒng)界面在設(shè)計中使用WinCC flexible編寫，登錄界面要簡單，登錄后的界面主要包括主畫面、設(shè)置（參數(shù)設(shè)置）畫面、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、電參量、軸振檢測、閘瓦間隙、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示界面，以及故障報警/處理界面。在界面中的每個模塊，顯示機電設(shè)備、采煤設(shè)備的實施運轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)，一旦出現(xiàn)故障或異常，界面有顯示燈提示。

4 實踐應(yīng)用

將設(shè)計的機電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)方案應(yīng)用于山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)12102#綜采面，副井提升機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在副井絞車房投入使用，帶式輸送機狀態(tài)監(jiān)測的實踐使用如下：

圖2 振動監(jiān)測在礦井帶式輸送機上的應(yīng)用

通過對輸送機軸承狀態(tài)的在線監(jiān)測，可在線實時監(jiān)測帶式輸送機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過振動信號、溫度信號對故障進行診斷分析，并做出針對性的響應(yīng)。

圖4 提升機鋼絲繩在線監(jiān)測

礦井機電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)在山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)12102#綜采面的實踐應(yīng)用表現(xiàn)出良好的可靠性，通過在線監(jiān)測界面，能夠清晰地看到帶式輸送機、礦井提升機、通風(fēng)機等機電設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠及時地將信息反饋到管理人員的設(shè)備上。由此可見，在原有實時監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效地提升了實時監(jiān)測效果，具有積極的意義。

圖5 提升機狀態(tài)監(jiān)測分析