基于物聯網實現礦井運輸設備的狀態監測

李思旺

（西山煤電集團東曲礦供應科，山西 古交 030200）

引言

礦井機電設備為煤礦生產的核心，包括煤礦工作面的開采、運輸以及提升等。在當前計算機水平、控制策略不斷進步的同時，綜采工作面不斷朝著機械化、現代化、智能化的方向發展，其中離不開對工作面機電設備運行狀態參數的掌握。目前，礦井機電設備的監測主要基于以太網來實現[1]。但是，在實際應用中基于以太網的無線或有線通信方式由于現場布線困難或工作面太長等問題導致其應用存在較大局限性，且投入的成本也較大。為此，本文提出基于物聯網實現對礦井機電設備運行狀態的監測，并重點對礦井運輸系統的狀態進行監測。

1 基于物聯網礦井機電設備狀態監測的總體設計

1.1 礦井物聯網概述

從廣義上講，物聯網是按照特定的協議將設備、產品等與互聯網進行智能化的通信，對數據進行準確交換。物聯網的本質屬性進一步提升了人們生產和生活的智能水平。

從結構及功能方面，可將物聯網分為感知層、網絡層和應用層。以礦井生產為例，感知層主要功能為通過所配置的各類傳感器對現場機電設備的運行參數進行采集；網絡層的主要功能為通過WIFI傳輸技術將所采集的參數傳輸至上位機；應用層主要功能是將上傳至上位機的數據進行分析處理并得出相應的控制指令。

從技術層面分析，結合物聯網各層的功能，其涉及到的關鍵技術包括傳感器感知技術、網絡傳輸技術、遠程監控技術以及數據分析處理技術等[2]。對于礦井生產而言，目前物聯網主要應用于工作面的可視化監控系統、井下環境監測系統、人員定位系統、電力監測系統等。

1.2 礦井機電設備狀態監測系統的總體框架

在煤礦生產的眾多機電設備中，可將其粗略分為移動設備和固定設備。其中，對于移動機電設備狀態監測的難點在于對傳感器的布置，目前主要采用功率傳感器或高速紅外CCD相機實現。而對于固定機電設備而言，主要將傳感器固定安裝于容易發生故障的位置或與機電設備核心部位相近的位置。鑒于固定傳感器在機電設備狀態監測應用的局限性，選用無線傳感器網絡技術實現對傳感器的布置，并基于WSN網絡技術形成數據傳輸網絡，最終通過以太網完成所有數據的傳輸。

此外，基于以太網實現對礦井機電設備狀態監測，是在原有工業以太網的基礎上，將WSN技術、紅外射頻以及電子標簽技術添加到其中，最終搭建基于以太網和無線傳感器網絡的監測系統，從而實現對礦井機電設備運行狀態參數的無縫監測。

本文將重點以帶式輸送機、提升機等為載體研究基于物聯網實現對其運行狀態的監測。

2 基于物聯網對帶式輸送機運行狀態的監測

2.1 帶式輸送機故障的監測方法

帶式輸送機為煤礦生產工作面主要運輸設備，在實際生產中其常見的故障為輸送帶打滑、斷裂、總線撕裂、堆煤等故障。本著通過建立基于物聯網的帶式輸送機運行狀態監測系統提升對設備故障的精確、及時掌握，避免事故的擴大，保障設備及人員的安全性[3]。同時，為保證監測結果的準確性，需為各種故障配置有效的檢測手段，具體如下：

1）針對輸送帶斷裂的故障，采用X射線高頻高壓發生器與CMOS探測器實現對故障信息的在線測試和顯示。

2）針對輸送帶縱向撕裂的故障，采用光電傳感器與CCD工業相機相結合的方式對故障進行預警和控制，對應的傳感器布置如下頁圖1所示。

圖1 輸送帶縱向撕裂故障監測傳感器布置圖

3）針對輸送帶跑偏的故障，采用霍爾開關傳感器與輸送帶跑偏開關相配合，在對設備滾筒轉速和輸送帶運行速度監測的基礎上，對故障進行監測。

此外，還配置了GUD1型礦用本安型堆煤傳感器對輸送帶的堆煤故障進行監測；配置KGN1-B本安型煙霧傳感器對現場的煙霧濃度超標情況進行報警。

2.2 基于物聯網帶式輸送機故障監測功能的實現

鑒于針對輸送帶故障監測中應用到的探測器和工業相機的數據量極大，采用光纖網絡對其采集到的數據進行傳輸；其他傳感器所采集到的數據采用無線傳感器網絡進行傳輸。基于物聯網帶式輸送機故障監測系統的結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網帶式輸送機故障監測系統結構示意圖

一般，無線傳感器網絡所獲取的數據是通過在工作面主巷道內安裝的接收器進行中轉被傳輸至以太網，最終被上傳至全礦調度信息系統。基于物聯網實現無線傳感器網絡與以太網通信的結構如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡與以太網通信功能的結構

3 基于物聯網對提升機運行狀態的監測

提升機同樣作為煤礦生產的主要運輸設備之一，對其故障及運行參數精準、及時監測尤為重要。結合提升機在實際應用的經常發生的故障及維修記錄，要求基于物聯網的監測系統可對電氣設備電流及電壓、液壓系統壓力、主軸的振動信號、制動系統的閘瓦間隙和偏擺量等運行參數進行監測[4]。

為保證監測數據的準確性，對運行及故障參數監測傳感器選型時需綜合考慮監測的靈敏度、線性度、精度以及分辨力等參數。傳感器的選型結果如下：

針對液壓系統壓力采用MDM4951壓力變送器實現；針對液壓系統液壓油溫度采用JWB/Pt100溫度變送器實現；采用提升機電機主軸上安裝的編碼器與深度指示器實現對提升速度的監測；采用限位開關對提升機制動系統閘瓦間隙和閘瓦的磨損情況進行監測，具體型號為YDYT9800型電渦流位移傳感器；針對主軸的振動采用YD9800電渦流位移傳感器對其振動位移量進行監測。

基于物聯網設計的提升機狀態監測系統的總體結構如圖4所示。

圖4 基于物聯網提升機狀態及故障監測系統整體結構圖

如圖4所示，各類傳感器對提升機故障及運行狀態參數的采集，所獲取的數據通過礦井的基站傳遞至整個礦井的監測中心。同時，操作人員還可通過手機對提升機的實時運行參數進行監測。

4 結論

實現對礦井生產中涉及到的機電設備運行參數及故障信息的監測，對于保證設備及人員安全具有重要意義。傳統狀態監測基于以太網為核心實現，該種方式存在監測不到位、成本高的問題[5]。為適應惡劣環境下煤礦機電設備運行狀態的精準、實時監測，本文基于物聯網分別建立提升機和帶式輸送機的監測系統，并總結如下：

1）基于物聯網中的關鍵GPRS、WSN以及紅外射頻技術為核心建立的狀態監測系統，可推動煤礦企業智能化和自動化發展；同時，基于GPRS傳輸技術可在低成本下實現對機電設備直觀的監測；

2）在實踐應用中，采用以光電傳感器和CCD工業相機對輸送帶縱向撕裂故障的監測，可極大降低由縱向撕裂所帶來的損失；

3）基于物聯網建立的機電設備故障監測系統可提供友好的人機界面，且具有良好的監測實時性。