煤矿提升设备远程监控技术的应用

刘嘉鑫

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿安监站，山西大同 037000）

0 引言

煤矿提升设备作为联系井下与地面的重要设备，承担着煤、矿石、生产设备以及人员的运输重任[1-2]。煤矿提升设备结构相对复杂，涉及液压系统、机械旋转结构、传动结构、制动保护结构，任何一部分发生故障，都影响设备的正常运行，甚至有可能引发安全事故[3-4]。矿用提升机的常见故障包括机械故障与电气故障。机械故障包括：主轴、减速器、卷筒结构磨损、振动异常故障、制动系统、液压系统长时间使用造成的温度过高、压力异常等。电气故障包括：电源、开关设备、提升电机、变频器等电气元件由于操作异常或者自身损坏造成的故障。煤矿提升机工作环境相对较为复杂，部分设备运行在井下，干扰较多，故障情况下检修恢复一般耗时较长，极大地影响了煤矿生产的进程，给企业带来了巨大损失。因此，本文将工业生产中应用较为广泛且经济高效的检测与在线监测控制技术引入矿井提升设备中，实现对设备安全的高效监控，可以有效保障企业的经济效益。

1 总体方案

系统的总体方案是利用远程监控技术实现对煤矿提升设备的运行状态的监测、控制、故障报警功能。通过现场传感器等检测设备，对反映设备不同部分运行情况的参数进行检测、传输，由处理器软件程序进行运算，对设备的运行状态进行评估，做出不同的应对策略。

监控系统整体设计为3层结构，分别为现场检测设备应用层、网络传输层和监测控制处理层。现场检测设备应用层即利用相应传感器设备对反映设备的运行状态的参数进行感知、转换。监控处理层的任务在于接受来自传输网络的数据进行滤波预处理以及相应格式转换，利用软件程序的数据处理流程对标准信号数据进行处理，对运算结果进行判断，根据判定结果执行不同控制操作。网络传输层作为数据传输介质，保障应用层与处理层之间的连接，同时对处理层到设备控制指令进行传输。提升机的远程监控系统整体结构如图1所示。

图1 提升机远程监控系统整体结构图

2 系统整体设计

2.1 硬件设备

监控系统的硬件设备主要包括远程监控处理器、传感器、显示触摸屏、电源、网络转换传输设备等。处理器作为监测控制的核心设备，经过综合评估，选择西门子公司设计生产的S7-200系列PLC，该型号设备功能强大、性能稳定且在工业生产中广泛应用，有多款不同CPU可供选择[5-6]。本文根据实际需要选择了CPU222，具有8路数字量输入和6路数字量输出，且可连接2个模拟量输入输出扩展模块[7-8]。

系统选用传感器包括电流传感器、振动传感器、温度传感器、压力传感器。压力传感器选择德国KEWILL公司生产的KAP05型号压力变送器，测量量程广，适用于液体压力测量。温度传感器选择KEWILL公司TK61型号铂热电阻温度传感器，安装较简单、量程可以自行设定。

2.2 监测预警模块

状态监测预警模块包括对主轴结构、制动结构、液压系统、润滑系统、减速器结构的监测。旋转结构的振动情况实时反映设备的健康状况，利用压电式加速度振动传感器对主轴的轴向、径向平面X、Y方向的振动量以及减速器的振动值分别进行检测。利用温度传感器对润滑油温以及制动装置的闸瓦结构进行温度采集监测。利用压力变送器对液压系统的油压进行实时监控，超过7 MPa，则系统发出警报。利用电流传感器对提升电机的电流进行监测。由通信网络对各部分采集数据分别进行传输，经过数据调理、转换进入PLC控制器，进行数据的运算，根据软件程序评判结果执行控制指令。

2.3 控制模块

系统控制模块主要是实现根据远程监控系统评判的不同结果给出不同的动作指令。将故障等级分为轻微故障、一般故障以及严重故障，具体动作包括声光报警、正常程序速度调整、停机检修以及紧急停机安全确认。系统根据不同监测运算处理得到的故障等级执行相应操作。其中声光报警装置由PLC直接控制，通过对变频器的直接控制完成对电机运转速度的调整以及停机操作。系统监控模块结构如图2所示。

图2 监控模块结构图

2.4 网络传输结构

系统通讯结构是保障远程监控系统实时在线的关键。传感器采集的模拟量可通过PLC的模拟量输入扩展模块EM231实现滤波、调理、A/D转换并且传输给PLC控制器，EM231与S7-222通过扩展电缆连接；从提升机反馈来的开关量参数由数字量输入接口传送给PLC。显示触摸屏通过RS-485通讯口与S7-222连接，该接口具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，TP170B通过PPI通讯协议实现与PLC的通讯。PLC与变频器通过Profilebus实现通讯。EM231模块内部结构原理如图3所示。

图3 EM231模块内部结构原理图

3 软件程序设计

远程监控技术的实现需要软件程序的运算处理，PLC作为监控系统的控制处理核心，承担着数据的预处理、运算、转换、控制指令发出等一系列功能。本文利用S7-200系列专用的组态编程软件STEP7-Micro实现对硬件的配置、通讯结构组态、程序编写、调试仿真运行等。利用电气控制行业较为通用且简单易学的梯形图（LAD）编程语言对传感器检测经由通讯网络而来的数据进行扫描、读取转换、运算、处理。首先对经过滤波、调理、A/D转换后的模拟量进行逆转换流程，将其重新转化为反映设备运行情况的状态参数，而后结合实际情况根据不同监测位置设置预警值，据此完成对状态数据评判的以及预警的数据处理流程的编写。系统数据处理流程如图4所示。

显示触摸屏具有状态参数显示、预警信息统计、控制指令输入等一系列重要功能，是实现远程监测系统与外界工作人员交互媒介。利用基于触摸屏的专用组态软件WinCC flexible进行用户界面的组态操作，实现过程的可视化、操作人员的控制指令输入、显示报警、参数调整、过程记录等功能。通过WinCC flexible软件实现触摸屏软件程序的编写，然后发送下载到触摸屏设备中。

图4 系统数据处理流程图

4 结束语

本文针对煤矿提升设备缺少有效监测控制的现状，设计了一种煤矿提升机的远程监控系统。系统可实现对提升机主要结构的状态参数的监测、故障情况的识别与报警以及对提升机的控制功能。实践应用表明，系统可较好地实现预期的监测控制功能，具有自动化程度高、稳定性好、实时在线的优势，可以大大减少提升机操作者以及检修人员的工作量，保障提升设备的安全高效运行，为企业增加经济效益。