矿用提升机械装置的监控及故障诊断系统的研究

王新亮

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿， 山西 临县 033200）

引言

矿用提升机作为井下煤矿运输及货物运输的重要设备，已在煤矿中得到了广泛应用。而随着设备控制技术的不断发展，当下实现提升机智能化检测控制显得十分重要[1]。对矿用提升机中的机械装置（电机、减速器及滚筒、液压制动系统、斜井串车称重部分）工作状态进行监控及故障诊断，已成为提高提升机自动化控制水平的关键点[2]。目前，国内尚未对矿用提升机中的机械装置工作状态进行全面系统的监测及故障诊断，无法实现对其部件运行状态的实时监测及控制。为此，对该系统的总体方案设计及关键分系统进行设计，并最终进行了系统的实际应用测试，验证了该系统的可靠性及可行性。

1 提升机械装置监控及故障诊断系统应用的必要性

煤矿生产企业大多位于偏远地区，煤矿各个机电设备运行状态远程监测与故障诊断系统自成体系。以矿用提升机为例，该设备上的监测数据信息存在不能共享问题，且每个煤矿使用多个厂家的监测系统，需要对使用维护人员分别进行培训，监测设备生产厂家也需要经常定期到设备安装单位进行维护巡查，造成巨大的人力、物力和信息浪费[3]。

这些煤矿监测生产厂家需要远程巡查，如果使用远程监测与故障诊断系统，既及时发现了提升机被监测部件的故障，又可以节省大量人力物力[4]。而矿用提升机机械装置状态远程监测与故障诊断系统具备机电设备运行状态远程监测与故障诊断、故障报警、数据存储及分析故障诊断等功能，既可使专业工程师在远程或异地就能对机电设备进行在线监控和故障处理，同时指导现场工作人员快速进行故障排除；又可使主管领导及时了解现场情况，采取有效的处理措施。目前，成熟的方案主要采用远程无线网络作为媒介，不受距离和环境影响，拥有良好的抗干扰能力。它将现场监测与诊断提升至远程多人监测和诊断，有效避免了因现场人为或信息传递阻塞而造成事故传达的不及时。有利于高层及时了解现场情况，采取及时有效的措施。所设计的监控系统安装方便，只需更改现场计算机程序并增加GPRS 远程无线发射装置即可实现远程监测，用户需安装应用程序就可以实时访问现场工控机端监测界面，掌握设备运行工况信息。

综上分析，对提升机机械装置进行监控，进行故障诊断系统的设计及实际应用，无论对设备本身还是对保证企业的正常生产作业都具有重要的积极意义，非常有必要开展该系统的应用研究。

2 监控及故障诊断系统方案的设计

结合矿用提升机机械装置的功能特点，对该装置中的监控及故障诊断系统进行了方案设计。所设计的系统主要由多种传感器（油压、位移、振动、温度等传感器）、信号采集卡、高速振动采集卡、工控机、采集箱、信号调理器及相关配套器件组成，传感器包括安装在闸瓦上的闸间隙传感器、安装在闸内部的正压力传感器、焊接在油管上的油压传感器、轴两端的三向振动传感器、热电偶温度传感器、称重传感器等多种传感器组成，而处于信号处理关键环节的监测系统软件是由基于NI LabVIEW 平台自主开发的，它完成对采集数据的计算和分析[5]。该监控及故障诊断系统的工作原理为通过多路传感器将采集到的信号转换成电信号输送给数据采集卡，数据采集卡将采集到的振动、温度、制动正压力、闸间隙、提升前串车重量和润滑油压、温度等信号，通过现场工控机进行数据存储、处理，通过动画、数值、文字等显示，并进行故障诊断、报警，便于维修人员和司机及时发现和处理故障，为事后查询和分析故障提供依据；另外，通过该系统中的GPRS 来实现在远程服务器中的存储和故障诊断。整套监控及故障诊断系统的结构框架图如图1 所示。

图1 提升机机械装置监测及诊断系统结构框架图

3 监控及故障诊断系统关键分系统的设计

3.1 液压站监测分系统的设计

液压站是制动器的驱动机构，为各制动闸提供压力油，以达到开闸和制动。若闸松不开而导致提升机不能运行，只是故障，不属于安全事故，若提升机正在运行必须制动时却不能回油制动，将导致所有制动闸不能制动的重大安全事故，液压站的可靠性决定了提升机的安全运行[6]。因此，对提升机液压站进行了监测系统的设计。首先在液压站转轴法兰盘及机身上分别安装了振动传感器及温度传感器，主要负责对液压站运行过程中的振动情况及机身表面温度进行信号采集及监测，其安装位置如图2 和图3 所示。同时，在液压站上安装油压传感器和安全制动回油时间监测板，可监测一级制动油压、二级制动油压，监测安全制动时间、液压站残压等信号，从而诊断回油路的畅通和堵塞情况。另外，在液压站上安装的紧急手动回油装置，是对安全制动失灵采取的补救措施，确保制动闸回油制动可靠。由此，通过在提升机液压站上安装各类检测设备，实现对液压站运行状态及相关参数的采集及检测。

3.2 系统软件的开发设计

为了使系统能充分发挥其功能，软件设计的好坏是关键。本系统采用模块化层次化的思想进行编写，除了能满足分析与监控的功能外，还具有操作简单、界面友好直观、运行可靠、维护方便等优点。由此，基于LabVIEW7 Express 平台，对提升机械装置状态监测及故障诊断软件部分进行了设计，其结构主要包括信号采集模块、参数设置模块、数据处理模块、比较报警模块、内存管理模块、数据库模块等，具体结构框架图如图4 所示。通过对几大模块分别进行模块内部硬件设计、程序编写及通讯接口设计，汇总实现对整个提升机机械装置的监测及诊断作用，并通过编辑的相关程序软件，将最终结果在显示屏上进行实时显示。

图2 振动传感器安装图

图3 温度传感器安装图

图4 监测系统软件构成框图

3.3 数据库记录和查询的设计

对煤矿监测系统而言，为获得设备的运行参数和状态，为分析事故原因、调查设备状况提供参考，需要详尽的设备运行记录。为了更好地管理和分析数据，及时发现故障，系统采用了应用广泛的数据库访问技术。利用LabVIEW 实现数据库访问，主要是利用LabVIEW 用户开发的免费LabVIEW 数据库访问工具LabSQL 进行数据访问，而LabSQL 工具则主要是利用Microsoft ADO 以及SQL 语言来完成。在整个数据库访问中，主要将复杂的低层ADO 和SQL操作封装成一系列的LabSOL VIs，简单易用，整个系统的数据库记录及查询程序如图5 所示。由此，完成了监控及故障诊断系统的数据库记录及查询。

图5 数据库记录及查询程序图

4 应用效果分析

为验证该系统的整体综合性能，对其在提升机中进行了实际应用测试。在测试过程中，安装该监控系统后，有效避免了提升机的停车故障检修，实现了在线监测制动正压力，并发出相应的故障报警提示，使得维修人员对提升机的故障排除及维修时间缩短了将近一半，有效杜绝了因井下设备故障而造成的人员伤亡事故，提高了人员的作业安全性；同时也增加了提升机的提煤量和提物提人量，若每天总共的损失时间按2 h 计算，安装该系统后，可节约将近30 min。另外，提升机维修人员可减少1 个，每年可直接及间接给企业带来将近100万元经济收入，经济效益比较可观。