崔紅剛

（山西凌志達煤業(yè)公司， 山西 長治 046600）

引言

礦井提升機系統(tǒng)是煤礦安全高效運營的重要機電設(shè)備，在人員及物料的提升與下放過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，具有“礦井咽喉”之稱。提升機系統(tǒng)比較龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復雜，由于礦井生產(chǎn)環(huán)境復雜惡劣，加上提升機系統(tǒng)高頻次、高強度地投入使用，會不可避免地發(fā)生各種類型的故障，如鋼絲繩故障、主軸裝置故障、減速器故障、制動裝置故障、液壓系統(tǒng)故障、潤滑系統(tǒng)故障等，給工作人員的生命安全帶來了極大的威脅，同時對煤礦企業(yè)造成了重大的經(jīng)濟損失[1-2]。

傳統(tǒng)的煤礦提升機系統(tǒng)故障監(jiān)測一般采用人工定期巡查的方式，這種工作方式下人工工作量大，監(jiān)測實時性差，而且故障診斷結(jié)果往往是根據(jù)工作人員的工作經(jīng)驗得出的，科學性和準確性低[3]。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于PLC 的礦井提升機故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測單元可對提升機系統(tǒng)內(nèi)部各個部件實現(xiàn)全生命周期動態(tài)監(jiān)管，通過上位機故障診斷軟件可對監(jiān)測數(shù)據(jù)融合、智能分析，快速診斷故障原因和故障位置，具有非常重要的意義。

1 礦井提升機系統(tǒng)的內(nèi)部組成

完整的礦井提升機系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。整個系統(tǒng)由提升機、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、減速器、電機、主軸裝置等組成。液壓制動系統(tǒng)包括液壓站和制動裝置兩部分[4]。主軸裝置主要是由主軸、調(diào)速離合器、滾筒、滾動軸承及各種固定底座等部分組成，該裝置主要負責鋼絲繩的收起和下放。通過將各類智能傳感器安裝在相應(yīng)部位，便可對提升機的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)測，為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

圖1 礦井提升機系統(tǒng)內(nèi)部組成示意圖

2 礦井提升機故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的總體架構(gòu)

圖2 礦井提升機故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

圖2 所示為礦井提升機故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖。整個系統(tǒng)由地面數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心、傳感器監(jiān)測單元、井下上位機、主備PLC 控制器、液晶顯示模塊、聲光報警裝置、鍵盤輸入模塊、提升機系統(tǒng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)等組成。其中，地面數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心包括高級工控機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等設(shè)備，負責對上傳的提升機系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行曲線顯示、表格存儲、報表打印，同時工控機內(nèi)置了智能分析算法，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析與處理，實時診斷提升機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并進行故障種類分析以及故障報警；主備PLC 控制器起著承上啟下的作用，負責對井下監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理并上傳給地面數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心，同時接收控制指令并進行相應(yīng)的控制操作；井下上位機負責進行監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線顯示以及超限報警功能，供井下工作人員遠程監(jiān)測；傳感器監(jiān)測單元由電流互感器、油溫傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、偏擺傳感器、閘瓦間隙傳感器等組成，負責對提升機系統(tǒng)進行全生命周期的動態(tài)監(jiān)管，為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持；鍵盤輸入模塊負責進行參數(shù)設(shè)定；聲光報警裝置負責超限、故障報警；液晶顯示模塊負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的現(xiàn)場實時顯示，供現(xiàn)場人員觀看。

3 硬件設(shè)計方案與設(shè)備選型

3.1 PLC 控制器選型

基于煤礦復雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)選用德國西門子公司發(fā)布的S7-300 PLC 模塊作為核心控制器，該系列PLC 可靠性高，擁有高速計算能力，為系統(tǒng)實現(xiàn)故障診斷提供了支持，同時采用該模塊配套的原裝產(chǎn)品完成通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能[5]。PLC 控制器與各傳感器之間采用PROFIBUS 總線方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用的是雙PLC 控制結(jié)構(gòu)，由一主一備PLC 控制器組成，當主PLC 出現(xiàn)問題時，可讓備用PLC 進入運轉(zhuǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

PLC 的中央處理單元選用CPU224XP CN 模塊，該模塊可同時擴展多個智能模塊。傳感器采集的數(shù)據(jù)皆為模擬量信號，PLC 模塊接收的是標準的4～20 mA電流信號，考慮傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)量，系統(tǒng)選用五個模擬量輸入模塊EM231 作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。PLC控制器與遠程診斷中心是通過工業(yè)以太網(wǎng)方式進行上下通信的，為此選用西門子公司生產(chǎn)的CP243-1以太網(wǎng)模塊通過軟件配置即可實現(xiàn)通信功能。

3.2 傳感器監(jiān)測單元設(shè)計與設(shè)備選型

傳感器監(jiān)測單元是系統(tǒng)故障診斷的重要環(huán)節(jié)，安裝在提升機系統(tǒng)各個位置的傳感器需要實時監(jiān)測提升機系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采集到的各類數(shù)據(jù)可幫助系統(tǒng)快速診斷故障原因，找到故障位置。

傳感器監(jiān)測單元由電流互感器、油溫傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、偏擺傳感器、閘瓦間隙傳感器等組成。將溫度傳感器分別安裝在閘瓦表皮、潤滑站、液壓站中，用于獲得閘瓦溫度信號和油溫信號，溫度傳感器選用MTT 一體化溫度變送器，可將溫度信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA 電流信號；將油壓傳感器安裝在油管口，用于采集油壓信號，選用MPT230 型壓力變送器，該型號變送器測量范圍廣、精度高；電流互感器用于監(jiān)測電動機的逆變電流；選用型號為LMZJ1-0.5 的電流互感器，同時通過JC5S08 型電流變送器可將電流信號轉(zhuǎn)換為PLC 可接收的4～20 mA電流信號；位移傳感器用于監(jiān)測閘瓦間隙信號，采用型號為ZWY-8 的接觸式位移傳感器，該型號傳感器測量誤差小、量程大，可將閘瓦間隙信號轉(zhuǎn)換為PLC可接收的4～20 mA 電流信號；振動傳感器用于監(jiān)測主軸徑向振動信號和主軸軸向振動信號，采用型號為YD9810 的振動變送器采集徑向振動信號，采用型號為YDYT9804 的電渦流傳感器采集軸向振動信號；采用YDYT9800 型電渦流傳感器采集制動盤偏擺量數(shù)據(jù)[4]。

4 上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷軟件方案設(shè)計

4.1 上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖

采用組態(tài)王6.5 軟件作為遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺。上位機軟件總體分為四個模塊，分別為：用戶管理模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、參數(shù)監(jiān)測模塊、故障診斷模塊。其中，用戶管理模塊由用戶登錄界面、用戶注銷界面、用戶注冊界面組成；參數(shù)設(shè)置模塊由提升機參數(shù)設(shè)置界面、傳感器參數(shù)設(shè)置界面、故障情況參數(shù)設(shè)置界面組成；參數(shù)監(jiān)測模塊由實時參數(shù)曲線顯示界面、歷史參數(shù)曲線顯示界面、報表打印生成界面、數(shù)據(jù)存儲界面組成；故障診斷模塊由故障智能診斷界面、故障報警界面、故障記錄存儲界面組成。圖3 所示為上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)融合與故障診斷流程

通過上位機軟件開發(fā)的故障智能診斷界面可以對提升機系統(tǒng)進行全方位的故障診斷，該模塊內(nèi)置了智能控制算法，通過提升機長期的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與相應(yīng)故障之間的聯(lián)系，建立了對應(yīng)的決策過程。通過多傳感器監(jiān)測提升機系統(tǒng)得到多方面數(shù)據(jù)，將其反饋給上位機，基于智能控制算法通過數(shù)據(jù)融合，可精準檢測故障發(fā)生的位置，同時給出故障原因。下頁圖4 所示為故障診斷流程示意圖。

5 結(jié)論

圖4 故障診斷流程示意圖

提升機系統(tǒng)的安全運行關(guān)乎著煤礦工作人員與物料、設(shè)備的安全，必須時刻對其進行安全監(jiān)管。本文借助PLC 控制技術(shù)、傳感器監(jiān)測技術(shù)、智能控制算法故障診斷技術(shù)，通過對提升機系統(tǒng)進行全方位、全生命周期的運行數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測，利用智能故障診斷方法，快速、精確地發(fā)現(xiàn)故障位置，分析故障原因，并通過井下上位機和遠程故障診斷中心直觀地為工作人員呈現(xiàn)出來，提高了故障巡檢效率和提升機系統(tǒng)的工作可靠性。目前該故障檢測與診斷系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，達到了預(yù)期目標，具有一定的指導價值。