劉嘉鑫

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦安監(jiān)站，山西大同 037000）

0 引言

煤礦提升設(shè)備作為聯(lián)系井下與地面的重要設(shè)備，承擔(dān)著煤、礦石、生產(chǎn)設(shè)備以及人員的運(yùn)輸重任[1-2]。煤礦提升設(shè)備結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，涉及液壓系統(tǒng)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、制動保護(hù)結(jié)構(gòu)，任何一部分發(fā)生故障，都影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至有可能引發(fā)安全事故[3-4]。礦用提升機(jī)的常見故障包括機(jī)械故障與電氣故障。機(jī)械故障包括：主軸、減速器、卷筒結(jié)構(gòu)磨損、振動異常故障、制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)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(guān)設(shè)備、提升電機(jī)、變頻器等電氣元件由于操作異?；蛘咦陨頁p壞造成的故障。煤礦提升機(jī)工作環(huán)境相對較為復(fù)雜，部分設(shè)備運(yùn)行在井下，干擾較多，故障情況下檢修恢復(fù)一般耗時較長，極大地影響了煤礦生產(chǎn)的進(jìn)程，給企業(yè)帶來了巨大損失。因此，本文將工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛且經(jīng)濟(jì)高效的檢測與在線監(jiān)測控制技術(shù)引入礦井提升設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備安全的高效監(jiān)控，可以有效保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案

系統(tǒng)的總體方案是利用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對煤礦提升設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、控制、故障報警功能。通過現(xiàn)場傳感器等檢測設(shè)備，對反映設(shè)備不同部分運(yùn)行情況的參數(shù)進(jìn)行檢測、傳輸，由處理器軟件程序進(jìn)行運(yùn)算，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估，做出不同的應(yīng)對策略。

監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)，分別為現(xiàn)場檢測設(shè)備應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和監(jiān)測控制處理層?，F(xiàn)場檢測設(shè)備應(yīng)用層即利用相應(yīng)傳感器設(shè)備對反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行感知、轉(zhuǎn)換。監(jiān)控處理層的任務(wù)在于接受來自傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理以及相應(yīng)格式轉(zhuǎn)換，利用軟件程序的數(shù)據(jù)處理流程對標(biāo)準(zhǔn)信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行判斷，根據(jù)判定結(jié)果執(zhí)行不同控制操作。網(wǎng)絡(luò)傳輸層作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，保障應(yīng)用層與處理層之間的連接，同時對處理層到設(shè)備控制指令進(jìn)行傳輸。提升機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提升機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)備

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控處理器、傳感器、顯示觸摸屏、電源、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備等。處理器作為監(jiān)測控制的核心設(shè)備，經(jīng)過綜合評估，選擇西門子公司設(shè)計生產(chǎn)的S7-200系列PLC，該型號設(shè)備功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定且在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，有多款不同CPU可供選擇[5-6]。本文根據(jù)實(shí)際需要選擇了CPU222，具有8路數(shù)字量輸入和6路數(shù)字量輸出，且可連接2個模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊[7-8]。

系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)定。

2.2 監(jiān)測預(yù)警模塊

狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警模塊包括對主軸結(jié)構(gòu)、制動結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、減速器結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的振動情況實(shí)時反映設(shè)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(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度采集監(jiān)測。利用壓力變送器對液壓系統(tǒng)的油壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，超過7 MPa，則系統(tǒng)發(fā)出警報。利用電流傳感器對提升電機(jī)的電流進(jìn)行監(jiān)測。由通信網(wǎng)絡(luò)對各部分采集數(shù)據(jù)分別進(jìn)行傳輸，經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)理、轉(zhuǎn)換進(jìn)入PLC控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算，根據(jù)軟件程序評判結(jié)果執(zhí)行控制指令。

2.3 控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要是實(shí)現(xiàn)根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)評判的不同結(jié)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(yán)重故障，具體動作包括聲光報警、正常程序速度調(diào)整、停機(jī)檢修以及緊急停機(jī)安全確認(rèn)。系統(tǒng)根據(jù)不同監(jiān)測運(yùn)算處理得到的故障等級執(zhí)行相應(yīng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的調(diào)整以及停機(jī)操作。系統(tǒng)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)是保障遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時在線的關(guān)鍵。傳感器采集的模擬量可通過PLC的模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231實(shí)現(xiàn)濾波、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換并且傳輸給PLC控制器，EM231與S7-222通過擴(kuò)展電纜連接；從提升機(jī)反饋來的開關(guān)量參數(shù)由數(shù)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(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，TP170B通過PPI通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊。PLC與變頻器通過Profilebus實(shí)現(xiàn)通訊。EM231模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 EM231模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

3 軟件程序設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要軟件程序的運(yùn)算處理，PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制處理核心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)的預(yù)處理、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、控制指令發(fā)出等一系列功能。本文利用S7-200系列專用的組態(tài)編程軟件STEP7-Micro實(shí)現(xiàn)對硬件的配置、通訊結(jié)構(gòu)組態(tài)、程序編寫、調(diào)試仿真運(yùn)行等。利用電氣控制行業(yè)較為通用且簡單易學(xué)的梯形圖（LAD）編程語言對傳感器檢測經(jīng)由通訊網(wǎng)絡(luò)而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描、讀取轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、處理。首先對經(jīng)過濾波、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后的模擬量進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換流程，將其重新轉(zhuǎn)化為反映設(shè)備運(yùn)行情況的狀態(tài)參數(shù)，而后結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)不同監(jiān)測位置設(shè)置預(yù)警值，據(jù)此完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)評判的以及預(yù)警的數(shù)據(jù)處理流程的編寫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

顯示觸摸屏具有狀態(tài)參數(shù)顯示、預(yù)警信息統(tǒng)計、控制指令輸入等一系列重要功能，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)與外界工作人員交互媒介。利用基于觸摸屏的專用組態(tài)軟件WinCC flexible進(jìn)行用戶界面的組態(tài)操作，實(shí)現(xiàn)過程的可視化、操作人員的控制指令輸入、顯示報警、參數(shù)調(diào)整、過程記錄等功能。通過WinCC flexible軟件實(shí)現(xiàn)觸摸屏軟件程序的編寫，然后發(fā)送下載到觸摸屏設(shè)備中。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 結(jié)束語

本文針對煤礦提升設(shè)備缺少有效監(jiān)測控制的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種煤礦提升機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)主要結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測、故障情況的識別與報警以及對提升機(jī)的控制功能。實(shí)踐應(yīng)用表明，系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的監(jiān)測控制功能，具有自動化程度高、穩(wěn)定性好、實(shí)時在線的優(yōu)勢，可以大大減少提升機(jī)操作者以及檢修人員的工作量，保障提升設(shè)備的安全高效運(yùn)行，為企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。