基于PLC 礦井提升機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔紅剛

（山西凌志達(dá)煤業(yè)公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

礦井提升機(jī)系統(tǒng)是煤礦安全高效運(yùn)營(yíng)的重要機(jī)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(jī)系統(tǒng)比較龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，由于礦井生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，加上提升機(jī)系統(tǒng)高頻次、高強(qiáng)度地投入使用，會(huì)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(dòng)裝置故障、液壓系統(tǒng)故障、潤(rùn)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(shí)對(duì)煤礦企業(yè)造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

傳統(tǒng)的煤礦提升機(jī)系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)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(cè)實(shí)時(shí)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(yàn)得出的，科學(xué)性和準(zhǔn)確性低[3]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的礦井提升機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測(cè)單元可對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)全生命周期動(dòng)態(tài)監(jiān)管，通過上位機(jī)故障診斷軟件可對(duì)監(jiān)測(cè)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(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部組成

完整的礦井提升機(jī)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由提升機(jī)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、減速器、電機(jī)、主軸裝置等組成。液壓制動(dòng)系統(tǒng)包括液壓站和制動(dòng)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(dòng)軸承及各種固定底座等部分組成，該裝置主要負(fù)責(zé)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(duì)提升機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為故障診斷提供數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

圖1 礦井提升機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部組成示意圖

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

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

圖2 所示為礦井提升機(jī)故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖。整個(gè)系統(tǒng)由地面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心、傳感器監(jiān)測(cè)單元、井下上位機(jī)、主備PLC 控制器、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警裝置、鍵盤輸入模塊、提升機(jī)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(cè)與故障診斷中心包括高級(jí)工控機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)上傳的提升機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示、表格存儲(chǔ)、報(bào)表打印，同時(shí)工控機(jī)內(nèi)置了智能分析算法，可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與處理，實(shí)時(shí)診斷提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行故障種類分析以及故障報(bào)警；主備PLC 控制器起著承上啟下的作用，負(fù)責(zé)對(duì)井下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上傳給地面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心，同時(shí)接收控制指令并進(jìn)行相應(yīng)的控制操作；井下上位機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線顯示以及超限報(bào)警功能，供井下工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；傳感器監(jiān)測(cè)單元由電流互感器、油溫傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、偏擺傳感器、閘瓦間隙傳感器等組成，負(fù)責(zé)對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全生命周期的動(dòng)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(fù)責(zé)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；聲光報(bào)警裝置負(fù)責(zé)超限、故障報(bào)警；液晶顯示模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示，供現(xiàn)場(chǎng)人員觀看。

3 硬件設(shè)計(jì)方案與設(shè)備選型

3.1 PLC 控制器選型

基于煤礦復(fù)雜惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)選用德國(guó)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(jì)算能力，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷提供了支持，同時(shí)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(jìn)行監(jiān)測(cè)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(dāng)主PLC 出現(xiàn)問題時(shí)，可讓備用PLC 進(jìn)入運(yùn)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(shí)擴(kuò)展多個(gè)智能模塊。傳感器采集的數(shù)據(jù)皆為模擬量信號(hào)，PLC 模塊接收的是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，考慮傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量，系統(tǒng)選用五個(gè)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(yuǎn)程診斷中心是通過工業(yè)以太網(wǎng)方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)通信功能。

3.2 傳感器監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

傳感器監(jiān)測(cè)單元是系統(tǒng)故障診斷的重要環(huán)節(jié)，安裝在提升機(jī)系統(tǒng)各個(gè)位置的傳感器需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)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(cè)單元由電流互感器、油溫傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)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(rùn)滑站、液壓站中，用于獲得閘瓦溫度信號(hào)和油溫信號(hào)，溫度傳感器選用MTT 一體化溫度變送器，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA 電流信號(hào)；將油壓傳感器安裝在油管口，用于采集油壓信號(hào)，選用MPT230 型壓力變送器，該型號(hào)變送器測(cè)量范圍廣、精度高；電流互感器用于監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的逆變電流；選用型號(hào)為L(zhǎng)MZJ1-0.5 的電流互感器，同時(shí)通過JC5S08 型電流變送器可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC 可接收的4～20 mA電流信號(hào)；位移傳感器用于監(jiān)測(cè)閘瓦間隙信號(hào)，采用型號(hào)為ZWY-8 的接觸式位移傳感器，該型號(hào)傳感器測(cè)量誤差小、量程大，可將閘瓦間隙信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可接收的4～20 mA 電流信號(hào)；振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)主軸徑向振動(dòng)信號(hào)和主軸軸向振動(dòng)信號(hào)，采用型號(hào)為YD9810 的振動(dòng)變送器采集徑向振動(dòng)信號(hào)，采用型號(hào)為YDYT9804 的電渦流傳感器采集軸向振動(dòng)信號(hào)；采用YDYT9800 型電渦流傳感器采集制動(dòng)盤偏擺量數(shù)據(jù)[4]。

4 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件方案設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件開發(fā)的基礎(chǔ)平臺(tái)。上位機(jī)軟件總體分為四個(gè)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(cè)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(cè)界面組成；參數(shù)設(shè)置模塊由提升機(jī)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(cè)模塊由實(shí)時(shí)參數(shù)曲線顯示界面、歷史參數(shù)曲線顯示界面、報(bào)表打印生成界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面組成；故障診斷模塊由故障智能診斷界面、故障報(bào)警界面、故障記錄存儲(chǔ)界面組成。圖3 所示為上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合與故障診斷流程

通過上位機(jī)軟件開發(fā)的故障智能診斷界面可以對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)長(zhǎng)期的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)與相應(yīng)故障之間的聯(lián)系，建立了對(duì)應(yīng)的決策過程。通過多傳感器監(jiān)測(cè)提升機(jī)系統(tǒng)得到多方面數(shù)據(jù)，將其反饋給上位機(jī)，基于智能控制算法通過數(shù)據(jù)融合，可精準(zhǔn)檢測(cè)故障發(fā)生的位置，同時(shí)給出故障原因。下頁(yè)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(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行關(guān)乎著煤礦工作人員與物料、設(shè)備的安全，必須時(shí)刻對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)管。本文借助PLC 控制技術(shù)、傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能控制算法故障診斷技術(shù)，通過對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全方位、全生命周期的運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，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(jī)和遠(yuǎn)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(jī)系統(tǒng)的工作可靠性。目前該故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。