礦井提升機在線監測與故障診斷系統設計

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能源之一，被廣泛應用于電力、冶金等行業，與我國經濟的基礎建設與發展緊密相連［1］。礦井提升機是煤礦生產過程中的一種交通運輸工具，主要負責物料以及人員的升降工作［2］。礦井提升機如果發生故障，輕則降低煤礦的生產效率，影響經濟效益，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，保障工作過程的穩定性是十分必要的。目前，國內大多數煤礦采用人工監測的方式對提升機的運行參數進行采集，不僅耗費了巨大的人力物力，最終達到的監測效果也很有限［4－5］。所以本文針對石巖莊提升機的技術特征設計了一種在線監測與故障診斷系統。

1 提升機技術特征及故障分析

礦井提升機通過鋼絲繩與滾筒之間產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。本文設計的監測系統基于某提升機的應用背景，提升機主要由電動機、減速裝置、液壓制動系統、潤滑裝置、滾筒、鋼絲繩、深度指示器、罐籠和電控系統等組成［6］。該提升機的技術特征如表1所示。

為了更加合理地監測提升機運行狀態，對提升機的故障進行了分類分析，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、液壓系統故障及潤滑系統故障。鋼絲繩負責連接滾筒與罐籠，當鋼絲繩表面受到污染或者提升機超載的情況下可能發生打滑，應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，各傳動軸會產生一定的振動，導致軸承的磨損增大，引起減速器整體溫

表1 石巖莊提升機技術特征

度的上升。制動裝置故障是指制動器無法正常制動，當制動器表面磨損嚴重，閘瓦溫度升高等現象時，會引起制動器失效，無法完成制動任務。液壓系統主要負責為提升機減速或停機時，提供制動阻力，在制動過程中，空氣可能會進入液壓系統，油壓發生波動，導致制動效果不明顯等故障。潤滑系統主要負責對機械設備的降溫，通常潤滑油的溫度應保持在20～50℃之間，當潤滑油溫度過高時就會失去潤滑作用。

2 系統方案及硬件選型設計

2.1 系統總體方案設計

礦井提升機在線監測系統如圖1所示，主要包括上位機、絞房監控分站、傳感器模塊等設備，其中上位機與監控分站通過工業以太網的方式實現信息傳輸。傳感器模塊包括潤滑系統溫度傳感器、主軸振動傳感器、閘瓦間隙傳感器、液壓系統壓力傳感器、液壓系統溫度傳感器。上位機是整個系統的監控大腦，負責實時監測與查看提升機的運行數據，進行參數設置與管理等工作。監控分站通過計算分析傳感器采集到的數值，根據預設闕值比較，判斷運行過程是否發生故障，并通過報警器報警等。

2.2 PLC控制柜的選型設計

PLC控制器作為一種工業控制器，具有工作可靠穩定的優點，常被用于環境復雜，自動化程度高的工業控制領域。本文根據系統I／O口的需求數與控制要求，選用西門子公司生產的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，可滿足監測系統的數據與功能要求［7］。

本文所設計的PLC控制柜的硬件結構如圖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，主要負責下載并運行軟件中編譯好的程序，并將結果輸送給輸出單元。存儲器包括RPROM與RAM，分別存放系統程序與用戶程序。輸入輸出單元分別負責采集提升機的運行狀況與向外部設備輸出處理結果。電源部分可以滿足220 V交流與24 V直流的供電需求。外設I／O接口連接的設備主要有編程器、打印機、上位機與變送器。

圖1 監測系統總體方案設計

圖2 PLC控制柜硬件結構圖

2.3 傳感器模塊選型設計

傳感器是測量提升機運行參數的裝置，在對各傳感器選型時應當充分考慮應用場景與數據測量范圍。主軸振動傳感器選用YD9810一體化傳感器，可同時監測主軸徑向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換為對應的電流信號。潤滑系統與液壓系統的工作油溫為10～50℃，選用數顯溫度傳感器LFJ－WZPSX，具有精度高、耐腐蝕和抗干擾的優點，測溫范圍為－25～85℃，基本誤差在±0.1%FS。

3 監測系統軟件設計

設計的監測系統主要完成數據的采集與故障診斷與預警功能，其中系統的軟件程序通過STEP7－Micro軟件進行編譯，可同時支持STL、LAD與FBD三種語言編程，具有界面簡單、集成度高的優點。系統主程序流程圖如圖3所示。在系統運行前，通過鍵盤輸入各類型信號的預警值與報警值。在初始化后，通過傳感器采集各運行參數，分別于預警值于報警值進行比較，當小于預警值時，表示提升機正常工作；當大于或等于預警值，小于報警值時，系統預警提示提升機存在發生故障的風險；當大于或等于報警值時，表明提升機發生故障，系統應當立即報警，并停機維修。

圖3 系統主程序流程圖設計

4 結束語

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