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(guó)家對(duì)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(yùn)行。機(jī)電設(shè)備是煤礦生產(chǎn)中的核心，其機(jī)械化與智能化水平直接體現(xiàn)了煤礦自動(dòng)化水平，這就要求煤礦企業(yè)必須提高對(duì)機(jī)電設(shè)備的管理與維護(hù)水平。礦井機(jī)電設(shè)備無(wú)論是對(duì)煤炭開(kāi)采與運(yùn)輸，還是提升部分都至關(guān)重要，需要企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中保持對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、跟蹤定位等功能，但監(jiān)測(cè)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(lái)解決這一難題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高水平、更低成本的礦井機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。

1 機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體框架

狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(wú)線傳感器技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要技術(shù)有無(wú)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(jì)算技術(shù)。系統(tǒng)主要面向井下采掘、運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備，以及地面提升、通風(fēng)機(jī)電設(shè)備。

井下部分的機(jī)電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)由帶式輸送機(jī)上的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、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?cái)?shù)據(jù)通過(guò)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(chē)房組成，遠(yuǎn)距離采用GPRS進(jìn)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(wú)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(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是建立在云計(jì)算的平臺(tái)上，云計(jì)算技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析，且數(shù)據(jù)通信根據(jù)井下、地面的實(shí)際情況，科學(xué)選取光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)或者無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，并配合4G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等無(wú)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(guò)手持移動(dòng)智能設(shè)備便可獲取設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高了在線檢測(cè)的效果。

1.2 礦井帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式運(yùn)輸機(jī)是煤礦運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，由于其工作環(huán)境惡劣，工作負(fù)荷大，導(dǎo)致其在運(yùn)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(jī)的工作原理，針對(duì)當(dāng)前帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，以及《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的至少六種保護(hù)功能，輸送機(jī)主要故障監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案如下：

表1 輸送機(jī)主要故障監(jiān)測(cè)方案

帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，其中CCD高速工業(yè)相機(jī)和探測(cè)器數(shù)據(jù)采用光纖傳輸，其他數(shù)據(jù)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)兩部分，其中上位機(jī)使用Win CC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，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(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸。

下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集前段設(shè)計(jì)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、處理模塊、能量供應(yīng)模塊組成。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

巷道基站接收器接收無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(dòng)電子標(biāo)簽和RFID系統(tǒng)，然后通過(guò)讀卡器讀取移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到Zigbee主節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集前段采集的數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備接入層接入到地面監(jiān)測(cè)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)總體方案

本文礦井提升機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)裝置、輔助系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、鋼絲繩等部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總分為三模塊、四層設(shè)計(jì)，如下表所示：

表2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)提升機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)主要選取電壓、電流、液壓系統(tǒng)壓力、主軸振動(dòng)、閘瓦間隙檢測(cè)、主軸潤(rùn)滑檢測(cè)、滑繩量檢測(cè)。系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)采集檢測(cè)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三部分，采集數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，然后通過(guò)GPRS傳輸?shù)降V區(qū)檢測(cè)中心。

2.2 檢測(cè)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(cè)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(jī)速度傳感依靠安裝在提升機(jī)電機(jī)主軸上的編碼器與深度指示器完成監(jiān)測(cè)保護(hù)，將編碼器接到PLC高速脈沖輸入端。提升機(jī)工作電壓檢測(cè)采用60:1的電壓互感器減壓，通過(guò)PLC模擬量采集模塊采集電壓。提升機(jī)電流檢測(cè)使用電流變送器變小電流，然后通過(guò)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(cè)閘瓦間隙、閘盤(pán)偏擺量、閘瓦磨損、主軸振動(dòng)等狀態(tài)。采用速度編碼器監(jiān)測(cè)滑繩量。

2.3 信號(hào)采集與傳輸設(shè)備選型設(shè)計(jì)

將傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)為無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用GPRS技術(shù)作為無(wú)線傳輸，PLC選用SIEMENS公司的S7-22型號(hào)，集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，1路模擬量輸出點(diǎn)與2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)。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(kuò)展模塊、傳感器均通過(guò)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(wú)線傳輸模塊選型設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)采集控制器選用的是西門(mén)子的S7-200系列，因此GPRS無(wú)線收發(fā)模塊和配套通訊管理軟件同樣選用西門(mén)子配套系列。在無(wú)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(shí)現(xiàn)S7-200型PLC與移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線連接。系統(tǒng)組網(wǎng)方式選用中心公網(wǎng)固定IP方式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)子站與檢測(cè)中心的直接連接。無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)完成后，傳感器采集到信號(hào)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站，在顯示屏上可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。升降機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給管理人員發(fā)信息。

3 副斜井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足基本功能要求，包括簡(jiǎn)便易操作，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且能以短信的方式將故障第一時(shí)間發(fā)送給管理人員，能夠根據(jù)用戶(hù)需求實(shí)時(shí)生成故障報(bào)表。為適應(yīng)未來(lái)發(fā)展需求，系統(tǒng)需要具有可擴(kuò)展性，留有備用空間。此外，系統(tǒng)的故障報(bào)警可靠性要高，且各監(jiān)測(cè)傳感器的精度要高，誤差小。在性能上要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、集成性、擴(kuò)展性、開(kāi)放性與可靠性要求。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面在設(shè)計(jì)中使用WinCC flexible編寫(xiě)，登錄界面要簡(jiǎn)單，登錄后的界面主要包括主畫(huà)面、設(shè)置（參數(shù)設(shè)置）畫(huà)面、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、電參量、軸振檢測(cè)、閘瓦間隙、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示界面，以及故障報(bào)警/處理界面。在界面中的每個(gè)模塊，顯示機(jī)電設(shè)備、采煤設(shè)備的實(shí)施運(yùn)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(shí)踐應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在副井絞車(chē)房投入使用，帶式輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)踐使用如下：

圖2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)在礦井帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)輸送機(jī)軸承狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行診斷分析，并做出針對(duì)性的響應(yīng)。

圖4 提升機(jī)鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)

礦井機(jī)電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)12102#綜采面的實(shí)踐應(yīng)用表現(xiàn)出良好的可靠性，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)界面，能夠清晰地看到帶式輸送機(jī)、礦井提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)地將信息反饋到管理人員的設(shè)備上。由此可見(jiàn)，在原有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果，具有積極的意義。

圖5 提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析