陳 兵

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司）

0 引言

現(xiàn)有的礦用刮板輸送設(shè)備監(jiān)測產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部部分參數(shù)的監(jiān)測、上傳以及簡單的超限報(bào)警。監(jiān)測動(dòng)力部工況參數(shù)相對(duì)單一，減速器與電機(jī)振動(dòng)準(zhǔn)確性低不夠精準(zhǔn)，對(duì)于控制器內(nèi)部系統(tǒng)性的分析尚存在不足與缺失?？刂破黠@示畫面的報(bào)警預(yù)警功能人機(jī)交互性差，不能及時(shí)提醒，各工況運(yùn)行參數(shù)顯示界面不能直觀反映一時(shí)段的數(shù)值變化，減速器、電機(jī)振動(dòng)點(diǎn)不夠具體，數(shù)據(jù)參數(shù)提取分析較為困難。傳感器現(xiàn)場安裝固定方式與位置不合理，經(jīng)常出現(xiàn)現(xiàn)場無安裝位置或安裝位置無法固定傳感器、控制器外部功能與人機(jī)交互功能差、無外部故障報(bào)警裝置急停閉鎖按鈕，外部傳感器快插口數(shù)量少、可擴(kuò)展能力差、顯示屏尺寸較小、通訊接口少、不支持5G 通訊、內(nèi)部模擬量模塊數(shù)量少、監(jiān)測點(diǎn)位不足，PLC 供貨周期長、價(jià)格成本過高等問題，不滿足客戶需求。

圖1 礦用刮板輸送機(jī)動(dòng)力部

1 智能監(jiān)測監(jiān)控裝置

智能化監(jiān)測監(jiān)控裝置應(yīng)用于煤礦刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測刮板運(yùn)輸設(shè)備動(dòng)力部減速器、電機(jī)的工況運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測減速器溫升、潤滑粘度、壓力損失等，監(jiān)測電機(jī)電流、溫度、功率、振動(dòng)等。研發(fā)一種新型煤礦板輸送設(shè)備動(dòng)力部智能化監(jiān)測監(jiān)控裝置，能夠?qū)⒐ぷ髅婀伟遢斔驮O(shè)備動(dòng)力部工況運(yùn)行參數(shù)，減速器、電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過軟件算法分析，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)、頻譜分析，分析減速器、電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)情況，分析不同干擾源對(duì)振動(dòng)結(jié)果的干擾情況，通過組態(tài)工控機(jī)程序畫面繪制頻譜圖直觀反映振動(dòng)信號(hào)的一時(shí)段變化，運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警信息，同時(shí)采用外設(shè)聲光報(bào)警裝置，將故障報(bào)警第一時(shí)間傳遞給工作人員，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。

控制器進(jìn)行外觀、內(nèi)部設(shè)計(jì)，井下工作面工況條件復(fù)雜，外部增加聲光報(bào)警裝置，更直觀反映故障報(bào)警狀，外部急停閉鎖按鈕實(shí)現(xiàn)本地緊急停機(jī)閉鎖功能。外部顯示升級(jí)為10 英寸及以上屏幕，增加外部快插信號(hào)接口，接口滿足工況監(jiān)測需求，滿足客戶對(duì)工況監(jiān)測監(jiān)控裝置多種需求，輕便化設(shè)計(jì)安裝、防護(hù)更加便捷。內(nèi)部PLC 模塊重新選型，增加內(nèi)部模塊模擬量、數(shù)字量、5G 通訊模塊，擴(kuò)展控制器監(jiān)測點(diǎn)位，優(yōu)先選取國內(nèi)主流PLC，降低使用成本，縮短供貨周期，縮小內(nèi)部元器件整體布局空間，滿足煤礦5G 建設(shè)要求。

圖2 智能化監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

圖3 控制器

2 動(dòng)力部監(jiān)測及振動(dòng)研究

2.1 研究方案

確定減速器、電機(jī)振動(dòng)傳感器安裝位置及監(jiān)測點(diǎn)，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析，找準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測點(diǎn)位、合理布置振動(dòng)傳感器數(shù)量與位置，準(zhǔn)確掌握減速器運(yùn)行狀態(tài)。通過PLC 編程控制器軟件算法通過對(duì)設(shè)備振動(dòng)點(diǎn)數(shù)據(jù)、振動(dòng)頻譜分析，研究減速器、電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下反饋的振動(dòng)數(shù)據(jù)與響應(yīng)，分析不同工況干擾源對(duì)振動(dòng)的干擾，通過組態(tài)畫面繪制振動(dòng)頻譜圖直觀反映振動(dòng)信號(hào)的順時(shí)段變化及故障預(yù)警信息。對(duì)控制器內(nèi)部元器件選型，內(nèi)部增加模擬量、數(shù)字量模塊、選型國內(nèi)外主流PLC，控制器外觀設(shè)計(jì)聲光報(bào)警裝置、急停閉鎖按鈕、10 英寸以上顯示屏，第一時(shí)間更直觀的反映設(shè)備故障狀態(tài)。并將無線傳感器監(jiān)測通訊信號(hào)采集裝置、5G 通信網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在控制器內(nèi)部，具備無線傳感器信號(hào)采集功能，支持ModBus RTU（TCP）等通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，具備5G 方式的數(shù)據(jù)上傳方式。通過虛擬環(huán)境三維仿真模擬分析、熱力場分布分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行三維驗(yàn)證、仿真模擬。制造樣件進(jìn)行空載、加載試驗(yàn)，在井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

2.2 研究內(nèi)容

目前礦用刮板輸送設(shè)備動(dòng)力部監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)與裝備，難以滿足煤礦智能化綜采，動(dòng)力部工況監(jiān)測、振動(dòng)分析及故障預(yù)警研究方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。升級(jí)迭代現(xiàn)有刮板輸輸送設(shè)備動(dòng)力部工況監(jiān)測，使得設(shè)備監(jiān)測功能更全面，減速器、電機(jī)振動(dòng)故障分析更準(zhǔn)確。

1）傳感器分布監(jiān)測位置的確定與選擇，需求工業(yè)振動(dòng)傳感器，適應(yīng)煤礦高溫、高潮濕環(huán)境、噪音、振動(dòng)較多的工況。選擇合適的振動(dòng)傳感器，準(zhǔn)確掌握減速器、電機(jī)振動(dòng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，安裝固定位置易防護(hù)、操作簡便實(shí)時(shí)跟蹤，確保獲得最準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2）振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)收集與分析，對(duì)設(shè)備負(fù)載、空載振動(dòng)點(diǎn)數(shù)據(jù)、振動(dòng)頻譜分析，研究設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下所反饋的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析、處理，分析不同干擾源對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的干擾情況，通過組態(tài)畫面繪制振動(dòng)頻譜圖直觀反映振動(dòng)信號(hào)的一時(shí)段變化，故障預(yù)警信息?？偨Y(jié)歸納設(shè)備各運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)參數(shù)段。

對(duì)減速器、電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，通過PLC編程控制器編程算法分析，數(shù)據(jù)同步分析處理，設(shè)備故障實(shí)時(shí)判斷分析處理，通過智能的人機(jī)交互界面，將各動(dòng)力部減速器、電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行顯示，通過頻譜圖形直觀的觀察各數(shù)據(jù)的變化過程。

3）外部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，外部增加聲光報(bào)警裝置，當(dāng)控制器監(jiān)測到有故障時(shí)，通過聲光報(bào)警裝置報(bào)警提示。

4）普及無線傳感器監(jiān)測通訊信號(hào)采集裝置、綜采工作面5G 通訊網(wǎng)關(guān)，升級(jí)優(yōu)化動(dòng)力部監(jiān)測及振動(dòng)分析故障報(bào)警裝置，使控制器具備5G 數(shù)據(jù)上傳的功能。滿足礦井5G智能化礦井建設(shè)需求。

2.3 智能監(jiān)測系統(tǒng)在線監(jiān)測可視化與監(jiān)測技術(shù)

2.3.1 在線監(jiān)測可視化

智能監(jiān)測系統(tǒng)具備運(yùn)行界面的可視化及實(shí)時(shí)監(jiān)測跟蹤，在人機(jī)交互可視化界面，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、特征參數(shù)、頻域圖、溫度變化、運(yùn)行及報(bào)警、參數(shù)趨勢圖譜、狀態(tài)識(shí)別等模塊?？蓪?shí)現(xiàn)動(dòng)力部運(yùn)行狀態(tài)的在線智能監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)包含在線和離線兩種分析模式，具有數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值保存、故障識(shí)別、故障狀態(tài)在線處理等功能。通過電流變化監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在電機(jī)上安裝電流感應(yīng)傳感器，將其與可編程控制器的輸入端相連，報(bào)警指示元件與可編程控制器的輸出端相連。將其監(jiān)測到的數(shù)據(jù)利用開關(guān)量信號(hào)輸入到PLC 可編程控制器上，進(jìn)行相應(yīng)的處理后，利用程序的方式進(jìn)行控制輸出。通過電流數(shù)據(jù)變化區(qū)域界線判斷，進(jìn)行故障報(bào)警。

2.3.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)主要由電流監(jiān)測技術(shù)、振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、溫度監(jiān)測技術(shù)、功率監(jiān)測技術(shù)等組成，通過各監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)判斷設(shè)備運(yùn)行情況與故障原因。

（1）電流監(jiān)測技術(shù)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，電流變化較明顯，電流信號(hào)的采集比較容易，將之做成非侵入式，電流監(jiān)測技術(shù)能夠與電機(jī)保護(hù)和調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行有效集成。當(dāng)電機(jī)的定子繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)，可將負(fù)序電流及負(fù)序阻抗作為故障監(jiān)測及診斷依據(jù)；若是電機(jī)出現(xiàn)氣隙偏心問題時(shí)，在圓周上氣隙磁導(dǎo)會(huì)呈現(xiàn)出不均勻分布的狀態(tài)，這樣便可在定子電流中感應(yīng)出故障特征的諧波分量，從而對(duì)故障性質(zhì)進(jìn)行判斷。

（2）振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)。振動(dòng)傳感器對(duì)動(dòng)力部軸承、機(jī)座振動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測的方法。動(dòng)力部處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，軸承及機(jī)座的振動(dòng)頻率一般不會(huì)出現(xiàn)較大的變化，如動(dòng)力部發(fā)生故障與振動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致軸承的振動(dòng)頻率出現(xiàn)變化，通過傳感器可以對(duì)動(dòng)力部的振動(dòng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，與已知的故障特征頻率進(jìn)行比較后，可以判斷故障的性質(zhì)，并找出故障部位。

（3）溫度監(jiān)測技術(shù)。通過在電機(jī)軸承、定子繞組部位、減速機(jī)油路、減速機(jī)水路等位置預(yù)埋溫度傳感器，對(duì)動(dòng)力部運(yùn)行過程中的溫度信號(hào)進(jìn)行檢測，從而判斷動(dòng)力部是否存在故障。

（4）功率監(jiān)測技術(shù)。通過對(duì)動(dòng)力部運(yùn)行過程中瞬時(shí)功率的分析進(jìn)行故障監(jiān)測與診斷。

3 實(shí)驗(yàn)

（1）減速器、電機(jī)振動(dòng)傳感器安裝點(diǎn)及振動(dòng)傳感器整體布局

對(duì)減速機(jī)、電機(jī)的構(gòu)造、外形進(jìn)行分析，通過在不同位置安裝傳感器，重載試車進(jìn)行調(diào)試，采樣分析振動(dòng)監(jiān)測信號(hào)，計(jì)算選擇合適數(shù)量點(diǎn)位，有限元分析及仿真，構(gòu)造減速器、電機(jī)振動(dòng)傳感器分布點(diǎn)位。不影響產(chǎn)品性能及安全可靠性準(zhǔn)確采集動(dòng)力部振動(dòng)傳感器監(jiān)測信號(hào)，完成動(dòng)力部振動(dòng)監(jiān)測傳感器布局。

（2）對(duì)于振動(dòng)傳感器信號(hào)的分析、處理編程

依托智能實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)、PLC、觸摸屏、傳感器等硬件，搭建監(jiān)測系統(tǒng)模擬平臺(tái)，驗(yàn)證程序的可行性，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證程序的故障判斷準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確分析、處理傳感器信號(hào)編制成PLC 模塊語言。振動(dòng)信號(hào)解析編程、振動(dòng)數(shù)據(jù)處理及形成5G通訊程序段。

（3）聲光報(bào)警裝置現(xiàn)場應(yīng)用

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)聲光報(bào)警裝置功能，結(jié)合編程程序模擬故障狀態(tài)下，聲光報(bào)警裝置功能及應(yīng)用效果。選擇合適的傳感器及蜂鳴器，編制聲光報(bào)警裝置報(bào)警程序，完成聲光報(bào)警裝置。

（4）應(yīng)用無線傳感器通訊采集裝置、綜采工作面5G通訊

控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)增加無線傳感器通訊數(shù)據(jù)采集裝置以及5G 通訊網(wǎng)關(guān)，使控制器具備無線傳感器信號(hào)采集功能、5G通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能。

4 結(jié)束語

智能監(jiān)測系統(tǒng)采用本安型控制器，控制器外部增加顯示屏幕，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)端控制器故障診斷分析，瞬時(shí)監(jiān)測分析減速器潤滑油品質(zhì)、粘度、水分、金屬顆粒等，同時(shí)可以監(jiān)測各部件振動(dòng)狀態(tài)，分析判斷故設(shè)備故障點(diǎn)，控制器通過集控集中顯示，顯示PLC 代碼，提醒故障報(bào)警狀態(tài)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集功能，急停閉鎖按鈕自動(dòng)急停，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力部工況運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測。