煤礦提升設備遠程監控技術的應用

劉嘉鑫

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦安監站，山西大同 037000）

0 引言

煤礦提升設備作為聯系井下與地面的重要設備，承擔著煤、礦石、生產設備以及人員的運輸重任[1-2]。煤礦提升設備結構相對復雜，涉及液壓系統、機械旋轉結構、傳動結構、制動保護結構，任何一部分發生故障，都影響設備的正常運行，甚至有可能引發安全事故[3-4]。礦用提升機的常見故障包括機械故障與電氣故障。機械故障包括：主軸、減速器、卷筒結構磨損、振動異常故障、制動系統、液壓系統長時間使用造成的溫度過高、壓力異常等。電氣故障包括：電源、開關設備、提升電機、變頻器等電氣元件由于操作異常或者自身損壞造成的故障。煤礦提升機工作環境相對較為復雜，部分設備運行在井下，干擾較多，故障情況下檢修恢復一般耗時較長，極大地影響了煤礦生產的進程，給企業帶來了巨大損失。因此，本文將工業生產中應用較為廣泛且經濟高效的檢測與在線監測控制技術引入礦井提升設備中，實現對設備安全的高效監控，可以有效保障企業的經濟效益。

1 總體方案

系統的總體方案是利用遠程監控技術實現對煤礦提升設備的運行狀態的監測、控制、故障報警功能。通過現場傳感器等檢測設備，對反映設備不同部分運行情況的參數進行檢測、傳輸，由處理器軟件程序進行運算，對設備的運行狀態進行評估，做出不同的應對策略。

監控系統整體設計為3層結構，分別為現場檢測設備應用層、網絡傳輸層和監測控制處理層?，F場檢測設備應用層即利用相應傳感器設備對反映設備的運行狀態的參數進行感知、轉換。監控處理層的任務在于接受來自傳輸網絡的數據進行濾波預處理以及相應格式轉換，利用軟件程序的數據處理流程對標準信號數據進行處理，對運算結果進行判斷，根據判定結果執行不同控制操作。網絡傳輸層作為數據傳輸介質，保障應用層與處理層之間的連接，同時對處理層到設備控制指令進行傳輸。提升機的遠程監控系統整體結構如圖1所示。

圖1 提升機遠程監控系統整體結構圖

2 系統整體設計

2.1 硬件設備

監控系統的硬件設備主要包括遠程監控處理器、傳感器、顯示觸摸屏、電源、網絡轉換傳輸設備等。處理器作為監測控制的核心設備，經過綜合評估，選擇西門子公司設計生產的S7-200系列PLC，該型號設備功能強大、性能穩定且在工業生產中廣泛應用，有多款不同CPU可供選擇[5-6]。本文根據實際需要選擇了CPU222，具有8路數字量輸入和6路數字量輸出，且可連接2個模擬量輸入輸出擴展模塊[7-8]。

系統選用傳感器包括電流傳感器、振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器。壓力傳感器選擇德國KEWILL公司生產的KAP05型號壓力變送器，測量量程廣，適用于液體壓力測量。溫度傳感器選擇KEWILL公司TK61型號鉑熱電阻溫度傳感器，安裝較簡單、量程可以自行設定。

2.2 監測預警模塊

狀態監測預警模塊包括對主軸結構、制動結構、液壓系統、潤滑系統、減速器結構的監測。旋轉結構的振動情況實時反映設備的健康狀況，利用壓電式加速度振動傳感器對主軸的軸向、徑向平面X、Y方向的振動量以及減速器的振動值分別進行檢測。利用溫度傳感器對潤滑油溫以及制動裝置的閘瓦結構進行溫度采集監測。利用壓力變送器對液壓系統的油壓進行實時監控，超過7 MPa，則系統發出警報。利用電流傳感器對提升電機的電流進行監測。由通信網絡對各部分采集數據分別進行傳輸，經過數據調理、轉換進入PLC控制器，進行數據的運算，根據軟件程序評判結果執行控制指令。

2.3 控制模塊

系統控制模塊主要是實現根據遠程監控系統評判的不同結果給出不同的動作指令。將故障等級分為輕微故障、一般故障以及嚴重故障，具體動作包括聲光報警、正常程序速度調整、停機檢修以及緊急停機安全確認。系統根據不同監測運算處理得到的故障等級執行相應操作。其中聲光報警裝置由PLC直接控制，通過對變頻器的直接控制完成對電機運轉速度的調整以及停機操作。系統監控模塊結構如圖2所示。

圖2 監控模塊結構圖

2.4 網絡傳輸結構

系統通訊結構是保障遠程監控系統實時在線的關鍵。傳感器采集的模擬量可通過PLC的模擬量輸入擴展模塊EM231實現濾波、調理、A/D轉換并且傳輸給PLC控制器，EM231與S7-222通過擴展電纜連接；從提升機反饋來的開關量參數由數字量輸入接口傳送給PLC。顯示觸摸屏通過RS-485通訊口與S7-222連接，該接口具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力，TP170B通過PPI通訊協議實現與PLC的通訊。PLC與變頻器通過Profilebus實現通訊。EM231模塊內部結構原理如圖3所示。

圖3 EM231模塊內部結構原理圖

3 軟件程序設計

遠程監控技術的實現需要軟件程序的運算處理，PLC作為監控系統的控制處理核心，承擔著數據的預處理、運算、轉換、控制指令發出等一系列功能。本文利用S7-200系列專用的組態編程軟件STEP7-Micro實現對硬件的配置、通訊結構組態、程序編寫、調試仿真運行等。利用電氣控制行業較為通用且簡單易學的梯形圖（LAD）編程語言對傳感器檢測經由通訊網絡而來的數據進行掃描、讀取轉換、運算、處理。首先對經過濾波、調理、A/D轉換后的模擬量進行逆轉換流程，將其重新轉化為反映設備運行情況的狀態參數，而后結合實際情況根據不同監測位置設置預警值，據此完成對狀態數據評判的以及預警的數據處理流程的編寫。系統數據處理流程如圖4所示。

顯示觸摸屏具有狀態參數顯示、預警信息統計、控制指令輸入等一系列重要功能，是實現遠程監測系統與外界工作人員交互媒介。利用基于觸摸屏的專用組態軟件WinCC flexible進行用戶界面的組態操作，實現過程的可視化、操作人員的控制指令輸入、顯示報警、參數調整、過程記錄等功能。通過WinCC flexible軟件實現觸摸屏軟件程序的編寫，然后發送下載到觸摸屏設備中。

圖4 系統數據處理流程圖

4 結束語

本文針對煤礦提升設備缺少有效監測控制的現狀，設計了一種煤礦提升機的遠程監控系統。系統可實現對提升機主要結構的狀態參數的監測、故障情況的識別與報警以及對提升機的控制功能。實踐應用表明，系統可較好地實現預期的監測控制功能，具有自動化程度高、穩定性好、實時在線的優勢，可以大大減少提升機操作者以及檢修人員的工作量，保障提升設備的安全高效運行，為企業增加經濟效益。