礦井提升機遠程狀態(tài)監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)研究

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（晉能控股煤業(yè)集團晉圣公司坡底煤業(yè) 山西省晉城市 048001）

在煤炭生產(chǎn)過程中，礦井提升機的作用不容小覷，主要任務就是沿著井筒提升礦石、煤炭與矸石，同時負責人員與設(shè)備的升降，完成材料與工具的下放等工作。由于煤礦企業(yè)工作環(huán)境特殊，如果礦井提升機有故障發(fā)生，會帶來嚴重經(jīng)濟損失與人員傷亡，所以有必要積極構(gòu)建礦井提升機的遠程狀態(tài)監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)，與實現(xiàn)礦井提升機的安全運行目標。

1 礦井提升機構(gòu)成與工作原理闡釋

礦井提升機的組成包括以下幾個部分：

（1）制動系統(tǒng)，即液壓泵站、制動器以及制動閘盤；

（2）動力傳動機構(gòu)，即主軸裝置、電機和減速器；

（3）觀測與操縱系統(tǒng)，即深度指示器與現(xiàn)場操作臺；

（4）潤滑系統(tǒng)，即潤滑油泵站與相對應管路；

（5）拖動保護系統(tǒng)，構(gòu)成包括電控系統(tǒng)，使提升機穩(wěn)定起動，順利實現(xiàn)減速、換向與停車等多種動作，同時將安全保護裝置配置其中。

對于斜井提升系統(tǒng)來講，其主井提升系統(tǒng)就是斜井箕斗提升系統(tǒng)，副井提升系統(tǒng)是串車提升系統(tǒng)。提升機運行期間，滾筒會纏繞兩根鋼絲繩，繩端會繞天輪連接井下方箕斗，此時井上箕斗于棧橋完成卸載并等待運行。井下礦車在進入翻車機內(nèi)部后翻轉(zhuǎn)，向井下煤倉內(nèi)部卸入煤礦。裝車工可對轉(zhuǎn)載閘門進行操縱，向井下箕斗內(nèi)部卸入煤礦，另一箕斗位于地面棧橋，可借助卸載驅(qū)軌開啟閘門，并向地面煤倉內(nèi)部卸煤。在箕斗座提升鋼絲繩經(jīng)天輪會連接提升機滾筒并有效固定，一旦滾筒旋轉(zhuǎn)就會使鋼絲繩隨之走動，使井筒斜巷內(nèi)的箕斗做出往復運動，進而完成提升和下放工作任務。

斜井串車提升系統(tǒng)不僅當做主井提升系統(tǒng)使用，亦可發(fā)揮輔助提升的作用。物料上下運輸一般選擇礦車與運料車。而人員升降則需摘掉串車，在掛號人車后對人員進行運送。由此可見，斜井串車和斜井箕斗提升類似，最大的差異就是選用礦車當做提升容器。而在井下將礦車裝滿后需要拉到斜井井口部位并轉(zhuǎn)變成地面水平軌道，經(jīng)人工摘鉤以后向道叉轉(zhuǎn)入，隨后掛空車亦或是料車等待入井。

2 礦井提升機常見故障

礦井提升機的故障，即運行過程中具體參數(shù)和正常運行狀態(tài)參數(shù)相偏離。由于提升機在惡劣條件性運行，加之結(jié)構(gòu)復雜性較強，很容易使高壓、低壓電控系統(tǒng)之間相互影響，使得故障發(fā)生形式也具有多樣化且不確定。礦井提升機常見故障主要包括：

（1）電機。電機超溫、電流過大是負荷過重引起；電機超速是司機操作不合理或是電機本身不合格所致；軸承超溫的原因是間隙小或是潤滑不到位；過卷、錯向是司機操作不合理所致；電機堵轉(zhuǎn)是主軸抱死或是閘瓦沒有松閘引起。

（2）減速器。振動過大主要是齒輪裝配的嚙合間隙過大；滑動軸承磨損是異物掉入所致；齒輪磨損速度快是嚙合、潤滑不理想所致；軸承超溫主要是因為嚙合間隙不大或是潤滑不理想；齒輪斷齒主要是有異物掉入或是材料質(zhì)量不達標。

（3）主軸卷筒。主軸折斷，主要是安裝不合理、材質(zhì)不達標引起；卷筒皮裂縫，因連接零件斷裂或是松動所致；滑動軸瓦燒毀，主要是配合間隙偏小；卷筒響動，主要是連接件出現(xiàn)故障；滑動軸承過熱，因嚙合間隙小或是潤滑不理想所致。

（4）制動系統(tǒng)。殘壓過大，主要是調(diào)壓電磁閥出現(xiàn)異常；油壓不穩(wěn)定的原因就是密封圈漏氣或是油孔油管堵塞；液壓站欠壓，是制動油不足引起；空動時間過長，是制動力少或是閘瓦間隙偏大所致；閘瓦局部過熱主要是壓力不勻或是閘瓦調(diào)整不合理引起。

總體分析，礦井提升機常見故障中，減速器、卷筒部分、主軸與提升機電機等機械故障含括齒輪箱故障、轉(zhuǎn)子故障與軸承故障。而提升機制動系統(tǒng)發(fā)生故障的原因就是制動液壓站油壓力、制動閘盤閘瓦間隙以及制動盤偏擺問題的出現(xiàn)，一般在監(jiān)測油壓、閘瓦間隙以及制動盤偏擺方面可借助傳感器對數(shù)據(jù)信息進行直接采集，且無需開展信號處理和診斷分析工作。

旋轉(zhuǎn)機械故障主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、動靜碰摩、轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子彎曲等。當轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)離心力失衡的情況，即被認定為轉(zhuǎn)子不平衡故障。對原因進行分析，主要是轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量不達標亦或是偏心。對于轉(zhuǎn)子不對中，即臨近兩轉(zhuǎn)子軸承中心線和軸心線偏移或是傾斜的程度，而發(fā)生的原因就是設(shè)備制造亦或是安裝存在誤差。對于轉(zhuǎn)子彎曲，即不同橫截面幾何中心連線和旋轉(zhuǎn)軸線未重合，而發(fā)生的原因在于轉(zhuǎn)子的局部受到附加應力影響。對于動靜碰摩指的則是在間隙過小的狀態(tài)下轉(zhuǎn)子和靜止部件之前的摩擦。

減速器故障以齒輪箱為主，特別是滾動軸承、轉(zhuǎn)子、滑動軸承、聯(lián)軸器、軸和齒輪等均為最常出現(xiàn)故障的部件。在診斷齒輪箱故障的過程中，一般會聯(lián)合運用齒輪故障診斷技術(shù)以及轉(zhuǎn)子和滾動軸承等。但不管發(fā)生哪一故障，均可通過轉(zhuǎn)子振動狀況進行反映。

3 礦井提升機遠程狀態(tài)監(jiān)控與智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在礦井提升機遠程狀態(tài)監(jiān)控與智能故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建過程中，此研究聯(lián)合使用現(xiàn)場監(jiān)測站與遠程監(jiān)控中心模式。在現(xiàn)場通訊設(shè)計過程中，以使用PPI 協(xié)議和OPC 服務器為主；在遠程通信設(shè)計階段，則以GPRS 網(wǎng)絡(luò)無線組網(wǎng)為主。現(xiàn)場監(jiān)測站由電源、工控機、傳感器系統(tǒng)、提升機既有電控系統(tǒng)、模擬量采集模塊和可編程邏輯控制器等組成。在遠程監(jiān)控中心需配置固定IP 計算機，并在GPRS 網(wǎng)絡(luò)的作用下在線監(jiān)測礦井提升機運行狀態(tài)，對故障進行診斷。（見圖1）

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計如下：

（1）實時采集、分析提升機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即在線監(jiān)測電氣設(shè)備的電參量參數(shù)、閘瓦間隙與制動盤偏擺量、轉(zhuǎn)子振動信號、第一故障點的捕捉、液壓站壓力與溫度、GPRS無線收發(fā)數(shù)據(jù)；

（2）對監(jiān)測站工控機進行現(xiàn)場監(jiān)測，以實時在線采集提升機數(shù)據(jù)并開展故障診斷；

（3）監(jiān)控中心可對現(xiàn)場監(jiān)測站采集運行數(shù)據(jù)和故障分析數(shù)據(jù)進行反映，結(jié)合趨勢曲線圖將提升機運行狀態(tài)變化趨勢展現(xiàn)出來；

（4）若有異常狀況發(fā)生，上位機會及時報警顯示，并通過短消息報警，在報警記錄中詳細記錄；

（5）管理者打印報表即可對提升機某一階段運行狀況、故障歷史狀況和人員操作狀況進行查看，為排查故障提供幫助。

3.3 監(jiān)測內(nèi)容和采集方法

3.3.1 采集模擬量

電機電流：采集電機電流的時候會借助電流互感器，一般選擇提升機的電機進線處進行套接，同時會在電機運轉(zhuǎn)階段轉(zhuǎn)換大電流信號，最終通過低范圍電流信號表現(xiàn)出來，在電流變送器的作用下即可再次轉(zhuǎn)變成標準電流信號。在光電隔離以后即可進入到PLC 模擬量模塊內(nèi)完成采集，進而對電機運行狀態(tài)下的電流進行測量。

電機轉(zhuǎn)速：研究中選擇斜井提升機自帶測速發(fā)電機輸出端直流電壓，并聯(lián)所輸出直流電壓信號（0-10V），在光電隔離的基礎(chǔ)上與PLC 模擬量輸入模塊連接后完成測量。

電機、減速器與主軸振動：于所需檢測電機、主軸外殼、減速器與軸承蓋部位安裝振動傳感器，轉(zhuǎn)換加速度數(shù)值成直流電壓（0-5V），經(jīng)光電隔離即進入PLC，最終獲取振動信號。而主軸振動則屬于低頻信號，可有效測量位移，在時頻結(jié)合的基礎(chǔ)上可系統(tǒng)分析電機與減速器。

液壓站溫度、壓力：選擇溫度傳感器轉(zhuǎn)換溫度值為直流電壓，并經(jīng)光電隔離與PLC 處理后，對液壓站油溫進行獲取。選擇標準壓力傳感器轉(zhuǎn)換油壓信號（0-10 兆帕）成直流電流（4-20 毫安），光電隔離并經(jīng)PLC 處理后獲取油壓。

制動盤偏擺、閘瓦間隙：于制動盤端面附近安裝電渦流位移傳感器，轉(zhuǎn)換偏擺量和閘瓦間隙成直流電壓（4-20毫安），光電隔離并經(jīng)PLC 處理后獲取相應數(shù)據(jù)。

3.3.2 采集開關(guān)量

使用繼電器采集信號的開關(guān)量如下：

（1）安全回路接觸器；

（2）安全信號繼電器；

（3）左前閘、后閘磨損與右前閘、后閘磨損繼電器。以上信號均是無源觸點，完成繼電器安裝作業(yè)后，可充分利用多余輔助觸點采集信號。

以開關(guān)形式即可與既有PLC 控制保護系統(tǒng)連接的開關(guān)量包括：

（1）液壓站、潤滑站欠壓；

（2）潤滑站油、液壓站油超溫。

3.4 硬件設(shè)計

3.4.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)硬件主要有信號隔離板、傳感器系統(tǒng)、模擬量采集模塊、繼電器、電源、監(jiān)控中心計算機、GPRS 模塊等等。（見圖2）

圖2：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖示

（1）電源。PLC 供電要求是DC24V，其擴展模塊以及傳感器能夠借助PLC 電源實現(xiàn)輸出供電，而無源觸點與PLC 數(shù)字量輸入端的連接也需具備DC24V，因而系統(tǒng)設(shè)計選用DC24V 開關(guān)電源。

（2）傳感器。傳感器在測量設(shè)備與被測量設(shè)備間發(fā)揮連接作用，其性能也將直接影響監(jiān)測系統(tǒng)應用效果。為此，在傳感器選擇方面應確保其可靠性、靈敏性、精確性與響應性等。根據(jù)此項目情況，傳感器的選擇如下：1.電機電流：電流互感器、變送器；2.電機轉(zhuǎn)速：礦井提升機自帶測速發(fā)電機直流輸出并聯(lián)；3.集成加速度傳感器；4.油溫：鎧裝式溫度傳感器；5.液壓站壓力：標準壓力傳感器；6.偏擺量與閘瓦間隙：非接觸式電渦流傳感器。

（3）PLC 與I/O 模塊。PLC 能夠有效采集有關(guān)傳感器儀表的信號，并且和監(jiān)控軟件進行必要通訊。一般情況下，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相對惡劣而且復雜性明顯，使控制器性能對系統(tǒng)運行可靠程度產(chǎn)生極大程度的影響。由西門子制造PLC可靠且具有豐富通信指令，擴展性特征明顯。同時，PLC 可滿足點對點接口協(xié)議要求，在PC/PPI 電纜作用下即可實現(xiàn)PLC 通信接口與PC 機通信接口通信目標。此外，用戶程序具備三級口令保護，可系統(tǒng)保護程序安全。（見圖3）

圖3：PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示

（4）GPRS 調(diào)制解調(diào)器。此系統(tǒng)主要選擇的是西門子制造PLC 采集并處理數(shù)據(jù)，要想使系統(tǒng)更加穩(wěn)定且兼容，在GPRS 無線通信模塊選擇方面使用S7-200PLC 的GPRS無線通信模塊，即SINAUTMD720-3。該無線GPRS 傳輸系統(tǒng)的組成部分包括天線、調(diào)制解調(diào)器以及通訊管理軟件，可實現(xiàn)無線連接目標。在該模塊中，工作模式包括終端模式與OPC 模式兩種。其中，終端模式可借助AT 指令保證GSM調(diào)制解調(diào)器運行，速率可達到9600bit/s，進而同GSM 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成被叫或是呼出數(shù)據(jù)連接。同時，還可向用戶發(fā)送信息。而OPC 模式下，則可保證模塊與PLC 程序相連接的模塊有效配置，進而在GPRS 作用下與OPC 服務器構(gòu)建連接。

3.5 軟件開發(fā)

3.5.1 軟件結(jié)構(gòu)

因GPRS 無線通信技術(shù)具有實時性問題，很難遠程實時處理所采集的模擬量，為此，該系統(tǒng)內(nèi)針對PLC 獲取采集信息量做相關(guān)處理，具體指的就是利用PC/PPI 電纜，通過PPI 協(xié)議實現(xiàn)和現(xiàn)場工控機的通信。此時，工控機會在處理采集信息后向PLC 傳入。而PLC 可通過GPRS 數(shù)據(jù)包形式向監(jiān)控中心計算機傳送所采集的模擬信號實時數(shù)值與開關(guān)量信號狀態(tài)等。這樣一來，即可實時分析并處理故障信號，同時能夠遠程監(jiān)控并對故障進行及時預警。（見圖4）

圖4：系統(tǒng)軟件通信結(jié)構(gòu)圖示

3.5.2 現(xiàn)場故障診斷軟件

一方面，PC Access OPC 軟件。該軟件與PLC 的OPC服務器軟件同為西門子制造，能夠和所有標準OPC 客戶端實現(xiàn)通信，且可提供必要的數(shù)據(jù)通信信息，PC Access 能夠與上位機軟件連接。所謂OPC，其基礎(chǔ)就是能夠以Windows軟件，可為應用程序和過程控制應用的數(shù)據(jù)通信提供可能。借助DCOM 技術(shù)與OPC 標準，即可對開放且能夠互動操作控制系統(tǒng)進行創(chuàng)建。通過開放通訊形式能夠保證OPC 客戶端和服務器有效通訊，而且各軟硬件廠家可對OPC 規(guī)范加以利用，在對標準接口運用的基礎(chǔ)上在不同廠家軟硬件間構(gòu)建系統(tǒng)。

另一方面，提升機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要對象有電機、電控系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、主軸和減速器等。電控系統(tǒng)、制動系統(tǒng)開關(guān)量僅負責狀態(tài)監(jiān)測和報警，而模擬信號量僅負責閾值設(shè)置的超限問題，無需處理復雜信號和分析故障。而減速器、主軸和電機是旋轉(zhuǎn)機械，所以故障發(fā)生一般和軸承、轉(zhuǎn)子之間存在聯(lián)系，在振動監(jiān)測方面應將重點集中于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

3.5.3 遠程監(jiān)控故障決策診斷軟件

一方面，OPC 路由軟件。該軟件由西門子制造且具備特殊通信功能，在現(xiàn)場監(jiān)測站的作用下，實現(xiàn)軟件和現(xiàn)場控制器的有效連接與通訊。而軟件本身由OPC 服務器、功能塊軟件庫與連接管理器組成。在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)一般需構(gòu)建三個GPRS 配置。

另一方面，監(jiān)控和故障診斷軟件。選擇使用西門子組態(tài)軟件OPC 客戶端，其中具有服務器驅(qū)動，可確保GPRS 軟件在OPC 服務器和監(jiān)控中心組態(tài)軟件的作用下實現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)的交換鏈接。與OPC 服務器驅(qū)動連接完成后，應當在軟件內(nèi)構(gòu)建相應PLC 通信變量。通過對上位機軟件的利用即可在GPRS 無線通信的輔助作用下對提升機的運行狀態(tài)信息進行采集，同時對現(xiàn)場故障診斷軟件進行運用，對診斷故障的數(shù)據(jù)信息進行采集。

4 結(jié)束語

綜上所述，礦井提升機遠程狀態(tài)監(jiān)測和智能故障診斷工作的開展，能夠?qū)λ杉瘮?shù)據(jù)展開實時分析，確保報警的及時性，為提升機安全運行提供了必要保障。此外，遠程狀態(tài)監(jiān)測和智能故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與應用能夠使通信故障發(fā)生率下降，使得煤礦大型機電設(shè)備管理工作獲得了極大便利。