劉嘉鑫

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

0 引言

煤礦提升設備作為聯(lián)系井下與地面的重要設備，承擔著煤、礦石、生產(chǎn)設備以及人員的運輸重任[1-2]。煤礦提升設備結(jié)構(gòu)相對復雜，涉及液壓系統(tǒng)、機械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、傳動結(jié)構(gòu)、制動保護結(jié)構(gòu)，任何一部分發(fā)生故障，都影響設備的正常運行，甚至有可能引發(fā)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(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)設備、提升電機、變頻器等電氣元件由于操作異?；蛘咦陨頁p壞造成的故障。煤礦提升機工作環(huán)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(chǎn)的進程，給企業(yè)帶來了巨大損失。因此，本文將工業(yè)生產(chǎn)中應用較為廣泛且經(jīng)濟高效的檢測與在線監(jiān)測控制技術(shù)引入礦井提升設備中，實現(xiàn)對設備安全的高效監(jiān)控，可以有效保障企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 總體方案

系統(tǒng)的總體方案是利用遠程監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)對煤礦提升設備的運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制、故障報警功能。通過現(xiàn)場傳感器等檢測設備，對反映設備不同部分運行情況的參數(shù)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(tài)進行評估，做出不同的應對策略。

監(jiān)控系統(tǒng)整體設計為3層結(jié)構(gòu)，分別為現(xiàn)場檢測設備應用層、網(wǎng)絡傳輸層和監(jiān)測控制處理層。現(xiàn)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(tài)的參數(shù)進行感知、轉(zhuǎn)換。監(jiān)控處理層的任務在于接受來自傳輸網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行濾波預處理以及相應格式轉(zhuǎn)換，利用軟件程序的數(shù)據(jù)處理流程對標準信號數(shù)據(jù)進行處理，對運算結(jié)果進行判斷，根據(jù)判定結(jié)果執(zhí)行不同控制操作。網(wǎng)絡傳輸層作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，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(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提升機遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 硬件設備

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設備主要包括遠程監(jiān)控處理器、傳感器、顯示觸摸屏、電源、網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換傳輸設備等。處理器作為監(jiān)測控制的核心設備，經(jīng)過綜合評估，選擇西門子公司設計生產(chǎn)的S7-200系列PLC，該型號設備功能強大、性能穩(wěn)定且在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用，有多款不同CPU可供選擇[5-6]。本文根據(jù)實際需要選擇了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、量程可以自行設定。

2.2 監(jiān)測預警模塊

狀態(tài)監(jiān)測預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(jié)構(gòu)進行溫度采集監(jiān)測。利用壓力變送器對液壓系統(tǒng)的油壓進行實時監(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的電流進行監(jiān)測。由通信網(wǎng)絡對各部分采集數(shù)據(jù)分別進行傳輸，經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)理、轉(zhuǎn)換進入PLC控制器，進行數(shù)據(jù)的運算，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)控制模塊主要是實現(xiàn)根據(jù)遠程監(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、一般故障以及嚴重故障，具體動作包括聲光報警、正常程序速度調(diào)整、停機檢修以及緊急停機安全確認。系統(tǒng)根據(jù)不同監(jiān)測運算處理得到的故障等級執(zhí)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(zhuǎn)速度的調(diào)整以及停機操作。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)絡傳輸結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)是保障遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時在線的關(guān)鍵。傳感器采集的模擬量可通過PLC的模擬量輸入擴展模塊EM231實現(xiàn)濾波、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換并且傳輸給PLC控制器，EM231與S7-222通過擴展電纜連接；從提升機反饋來的開關(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)議實現(xiàn)與PLC的通訊。PLC與變頻器通過Profilebus實現(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 軟件程序設計

遠程監(jiān)控技術(shù)的實現(xiàn)需要軟件程序的運算處理，PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的控制處理核心，承擔著數(shù)據(jù)的預處理、運算、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)試仿真運行等。利用電氣控制行業(yè)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(jīng)由通訊網(wǎng)絡而來的數(shù)據(jù)進行掃描、讀取轉(zhuǎn)換、運算、處理。首先對經(jīng)過濾波、調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后的模擬量進行逆轉(zhuǎn)換流程，將其重新轉(zhuǎn)化為反映設備運行情況的狀態(tài)參數(shù)，而后結(jié)合實際情況根據(jù)不同監(jiān)測位置設置預警值，據(jù)此完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)評判的以及預警的數(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、預警信息統(tǒng)計、控制指令輸入等一系列重要功能，是實現(xiàn)遠程監(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進行用戶界面的組態(tài)操作，實現(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軟件實現(xiàn)觸摸屏軟件程序的編寫，然后發(fā)送下載到觸摸屏設備中。

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備缺少有效監(jiān)測控制的現(xiàn)狀，設計了一種煤礦提升機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可實現(xiàn)對提升機主要結(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的控制功能。實踐應用表明，系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)預期的監(jiān)測控制功能，具有自動化程度高、穩(wěn)定性好、實時在線的優(yōu)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(yè)增加經(jīng)濟效益。