矿井提升机在线监测与故障诊断系统设计

2020-09-25马斌

机电工程技术 2020年8期

马斌

（大同煤矿集团有限公司忻州窑矿，山西大同 037021）

0 引言

煤炭资源是我国的基础能源之一，被广泛应用于电力、冶金等行业，与我国经济的基础建设与发展紧密相连［1］。矿井提升机是煤矿生产过程中的一种交通运输工具，主要负责物料以及人员的升降工作［2］。矿井提升机如果发生故障，轻则降低煤矿的生产效率，影响经济效益，重则威胁工人的生命安全［3］。因此，提高矿井提升机的安全性，保障工作过程的稳定性是十分必要的。目前，国内大多数煤矿采用人工监测的方式对提升机的运行参数进行采集，不仅耗费了巨大的人力物力，最终达到的监测效果也很有限［4－5］。所以本文针对石岩庄提升机的技术特征设计了一种在线监测与故障诊断系统。

1 提升机技术特征及故障分析

矿井提升机通过钢丝绳与滚筒之间产生的表面摩擦力来牵引井筒中的罐笼，完成工作人员或者物料的运送任务。本文设计的监测系统基于某提升机的应用背景，提升机主要由电动机、减速装置、液压制动系统、润滑装置、滚筒、钢丝绳、深度指示器、罐笼和电控系统等组成［6］。该提升机的技术特征如表1所示。

为了更加合理地监测提升机运行状态，对提升机的故障进行了分类分析，主要可分为钢丝绳打滑、主轴故障、减速器故障、制动装置故障、液压系统故障及润滑系统故障。钢丝绳负责连接滚筒与罐笼，当钢丝绳表面受到污染或者提升机超载的情况下可能发生打滑，应对钢丝绳涂敷增摩油。减速器的故障主要来源于齿轮与轴承，如齿轮出现裂纹或者断裂情况时，齿轮之间的磨损增大，啮合度下降，各传动轴会产生一定的振动，导致轴承的磨损增大，引起减速器整体温

表1 石岩庄提升机技术特征

度的上升。制动装置故障是指制动器无法正常制动，当制动器表面磨损严重，闸瓦温度升高等现象时，会引起制动器失效，无法完成制动任务。液压系统主要负责为提升机减速或停机时，提供制动阻力，在制动过程中，空气可能会进入液压系统，油压发生波动，导致制动效果不明显等故障。润滑系统主要负责对机械设备的降温，通常润滑油的温度应保持在20～50℃之间，当润滑油温度过高时就会失去润滑作用。

2 系统方案及硬件选型设计

2.1 系统总体方案设计

矿井提升机在线监测系统如图1所示，主要包括上位机、绞房监控分站、传感器模块等设备，其中上位机与监控分站通过工业以太网的方式实现信息传输。传感器模块包括润滑系统温度传感器、主轴振动传感器、闸瓦间隙传感器、液压系统压力传感器、液压系统温度传感器。上位机是整个系统的监控大脑，负责实时监测与查看提升机的运行数据，进行参数设置与管理等工作。监控分站通过计算分析传感器采集到的数值，根据预设阙值比较，判断运行过程是否发生故障，并通过报警器报警等。

2.2 PLC控制柜的选型设计

PLC控制器作为一种工业控制器，具有工作可靠稳定的优点，常被用于环境复杂，自动化程度高的工业控制领域。本文根据系统I／O口的需求数与控制要求，选用西门子公司生产的S7－200系列PLC控制器，具体型号为CPU226，处理器自带24位输入输出接口和7个扩展模块，可满足监测系统的数据与功能要求［7］。

本文所设计的PLC控制柜的硬件结构如图2所示，主要由电源部分、中央处理器、输入输出单元、存储单元、外设I／O接口与扩展接口等。中央处理器即CPU部分，包括运算器与控制器，是整个控制柜的核心部分，主要负责下载并运行软件中编译好的程序，并将结果输送给输出单元。存储器包括RPROM与RAM，分别存放系统程序与用户程序。输入输出单元分别负责采集提升机的运行状况与向外部设备输出处理结果。电源部分可以满足220 V交流与24 V直流的供电需求。外设I／O接口连接的设备主要有编程器、打印机、上位机与变送器。

图1 监测系统总体方案设计

图2 PLC控制柜硬件结构图

2.3 传感器模块选型设计

传感器是测量提升机运行参数的装置，在对各传感器选型时应当充分考虑应用场景与数据测量范围。主轴振动传感器选用YD9810一体化传感器，可同时监测主轴径向X位移量与Y位移量，工作温度为－20～60℃之间，测量误差在8 mm以下。闸瓦间隙传感器选用中矿科汇公司生产的ZWY－8接触式传感器，测量范围为0～8 mm，测试误差小于±0.5%，而提升机正常运行下，闸瓦缝隙小于2 mm，所以该传感器满足测量要求。

液压系统在正常工作情况下油压范围在0～5 MPa之间，工作温度10～50℃，选用MPT230压力传感器测量油压信号，该装置工作温度－30－90℃，可将不同的压力信号转换为对应的电流信号。润滑系统与液压系统的工作油温为10～50℃，选用数显温度传感器LFJ－WZPSX，具有精度高、耐腐蚀和抗干扰的优点，测温范围为－25～85℃，基本误差在±0.1%FS。

3 监测系统软件设计

设计的监测系统主要完成数据的采集与故障诊断与预警功能，其中系统的软件程序通过STEP7－Micro软件进行编译，可同时支持STL、LAD与FBD三种语言编程，具有界面简单、集成度高的优点。系统主程序流程图如图3所示。在系统运行前，通过键盘输入各类型信号的预警值与报警值。在初始化后，通过传感器采集各运行参数，分别于预警值于报警值进行比较，当小于预警值时，表示提升机正常工作；当大于或等于预警值，小于报警值时，系统预警提示提升机存在发生故障的风险；当大于或等于报警值时，表明提升机发生故障，系统应当立即报警，并停机维修。