基于物联网的矿井机电设备状态监测关键技术

杨海东

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司 山西省长治市 046600）

对于煤矿企业来说，需要迎合时代的发展，提升自身机械设备的自动化水平，只有这样才能更好地提高工作效率。对于矿井机电设备来说，能够正常运行，直接影响到企业的经济效益，需要在机电设备运行过程中，能够准确的掌握其运行情况，并且还能够在这样的基础上，根据不同的时间和地点，进而制定相应的维修制度，一旦设备在运行过程中出现问题，就能够第一时间找到问题，并解决问题。

1 物联网关键技术

1.1 无线传感器网络技术

这种技术就是通过网络通讯来实现，最早的物联网的传感器，是让物联网能够自身具备相关的传感器，进而通过这样的方法来获取相应的信息[1]。而随着信息技术的不断发展，使得传感器越来越智能化，而原来的网络传输也变成无线网络传输，使得信息传输更加稳定，能够随着根据需求来进行调节。

1.2 条形码技术

当前日常普遍所用的条形码都是一维条形码，这种类型的条形码在日常生活中非常普遍，但是因为无法有效的储存相应的信息，进而不适应当前信息不断发展的社会，所以就迎合社会的需求出现二维条形码，相比于一维条形码来说，二维条形码能够储存更多的信息，而且自身更加可靠，并不需要大量的成本，已经开始逐渐受到人们的广泛欢迎。

1.3 产品电子代码

这种技术主要是以RFID为其载体，在这其中加入无线网络技术，进而构成产品电子代码。在具体的物体上安装相应的感应器，然后按照编码的方法，在这其中属于相应的产品信息，通过计算机来有效完成交互服务。

2 基于物联网矿井机电设备监测总体架构

2.1 矿井机电设备状态监测的特点

首先，就是在矿井机电设备中的移动设备，在这其中包括掘进机、采煤机、刮板输送机等等，在运行过程中会不断的进行移动，那么对于这类设备来说，采集相应的信息是其监测移动状态的难点，当前具有效果的监测方法就是通过相应类型的传感器来实现[2]。其次，矿井机电设备中的固定设备，其中包括矿井提升机、空压机等等这些都属于固定设备。在传感器中的布置相比于一定设备来说，要更加便捷，一般情况下都是直接对其进行问题检查，将传感器直接安装在设备的敏感点上。

2.2 矿井机电设备监测系统总体架构

基于物联网下的矿井机电设备，其中涉及到几个层次，对于感知层来说，主要是由无线传感器、RFID技术等相应技术所构成。而在网络传输层来说，则是通过GPRS、以网络技术来构成，通过在这其中利用计算机来对其进行有效控制[3]。基于物联网下的矿井机电设备总体架构，主要是对其机电设备的采掘、运输和地面上设备的技术提升等方面来设计。

3 基于物联网下矿井带式输送机状态监测系统设计

3.1 带式输送机状态

这种机械主要是作为煤料的运输机械，通过运输带来进行工作。主要是由皮带架，拉紧装置、输送带、驱动装置等等来构成。在工作过程中，输送机会协调整个系统，帮助煤料运输到制定位置，或者是根据煤矿的实际情况来制定相应的装卸位置。输送带在不断发展过程中有很多种类型，当期我国的大型煤矿主要输送带都是橡胶材质，本文主要就对带式输送机井下部门的皮带机来进行监测。

3.2 考虑内容

作为煤矿运输最重要的部分，带式输送机因为长期处于恶劣环境下，就很容易出现问题。而如果在这过程中出现问题，就会导致煤矿运输无法有效进行工作，进而影响相关企业的经济效益[4]。在设计带式输送机状态监测系统过程中，就需要先对其出现问题的类型进行了解，在这其中主要是机械和电气出现问题，常见的有打滑、断裂、堆煤、跑偏、磨损、等等。

3.3 基于物联网的带式输送机状态监测系统

在原有保护装置基础上，在这其中引入物联网技术，进而通过设计无缝监测系统，进而来构建基于物联网下的远程在线监测系统，在这情况下构建的系统，能够保证生产的安全，在遇到问题时，能够及时定位。

3.3.1 数据采集前端

在这过程中对于无线传感器主要是涉及到传感器模块、处理和通讯所组成。其中的传感器也就是检查相应区域内的信息内容，并且将其转化为相应的数据。在这其中存在处理器，能将所传输到的数据，对其进行处理，并且接受本区域内信息的收集。根据煤矿实际情况，选择相应的处理芯片，能够更好的提高数据传输速度，并且还能够让无线收发和外围接口有效连接，进而有效的提高工作效率。

3.3.2 巷道基站接收器

这个装置主要是安装在主巷道的内部，通过接受无线传感器相应的数据，来将其发送到以太网中，在这其中还可以利用读卡器来读取所发出的无线信号，并且进一步确定信号的位置。

3.3.3 设备接入层

将数据采集应用于以太网中，然后利用无线设备接入，对于在这其中的主控制网，主要是根据煤矿当前所具有的以太网为总线，由上位机、转化器等等环节所组成[5]。将在井下所采集到的信号，通过数据传输的方法汇集到节点，然后在通过主控制网络转化为光缆，最后在通过相应的程序上传回控制中心，对其信息数据进行具体处理，这样就能够对设备进行详细了解，明确在运行过程中出现问题的位置，让维修人员能够快速解决。

4 基于物联网的矿井提升机状态监测系统设计

4.1 矿井提升机概述

4.1.1 矿井提升机的工作原理

在矿井机电设备中，矿井提升机主要的功能就是运输人员和物资，自身属于大型旋转型机电设备，是连接其矿井上下的重要设备，也是生产系统中不可缺少的重要部分[6]。矿井提升机主要是由提升容器、牵拉系统、装卸设备等等构成。这种设备分为缠绕和摩擦两种类型。当前，在煤矿企业中常用的都是中实重机所提供的设备，但是在这其中的运作系统却是国外的系统。

4.1.2 矿井提升机常见的故障和监测方式

通过对相关资料的查询分析能够了解，对于矿井提升机主要是通过对提升容器、制动装置、减速器等等零件进行检测[7]。例如，对于提升容器主要是利用编码器来检查提升容器的位置和偏差。制动系统，就是利用电涡流传感器来检查其闸瓦间隙等内容。对于减速器则是利用温度传感器，来检查其减速器各轴瓦的温度。

4.2 状态监测总体方案设计

基于物联网的矿井提升机状态监测系统设计主要分为三个部分，分别是数据采集、通讯网络和数据的展示及应用。在这其中分成四层：底层感知、网络传输、设备接入和上层应用。根据煤矿的实际情况，以此通过对矿井提升机实际情况进行了解后，先对其副井提升机作为其研究。其中的状态监测主要是对电气设备、液压、主轴、制动等系统的监测。通过对其实际研究，对其相关数据的调整：对于电压来说，电机自身的工作电压为6000V，那么在这其中就应该利用电压传感器将6000V转化为100V，然后再利用变送器将其电流信号引入到PLC中，在这其中所监测的内容包括母线电压、整流电流等等[8]。而电流来说，电机的定子电流为33.5A，通过使用高压电流互感器，将其变成较低范围的电流，进而通过PLC来采集相应的信号，进而测量其输出电流。

基于物联网下，主要包括采集检测、现场和远程检测这三个部分，在矿井提升机的副井、提升机房分别安装现场监测系统，这样就能够通过监测系统来直观的看到矿井提升机在运行中的情况。信息接受中心通过接收系统将信息传输到监测中心。然后将监测数据上传至互联网，这样企业就能够在网上看到矿井提升机的运行情况，而相应的管理人员则直接可以通过终端设备来实时观察信息。

4.3 监测系统传感器

4.3.1 传感器选择原则

在选择传感器过程中，应该从这几方面来注意。首先，就是传感器的灵敏度，这是非常重要的一个指标，传感器的灵敏度越高，那么传感器的测量物体越准确，更加有利于进行检测。其精度也是这个目的，传感器的精度能够直接影响在测量过程中的误差，只有保证误差越小，精度越高[9]。其次，就是传感器的线性度，能够直接体现出传感器的输出和输入量。最后，其分辨力，能够检测出矿井提升机输入了的最小数值。在选择过程中，还需要在这其中考虑到传感器的迟泄、重复性等等特征，与此同时，结合传感器的工作环境、可靠性等等多种因素来进行有效选择。

4.3.2 油压传感器

在矿井提升机运行过程中，油箱中的油会通过多个系统进入到相应的润滑位置，然后将多余的油流回油箱。在正常情况下，在这其中所产生的压力在0.3MP，而矿井提升机的制动油压最大能够达到10MPa。通过相应型号的变送器，来变送电信号，在这其中设定油压报警限度发出相应的信号，通过PLC数字量输入口来采集相应的报警信号。对于矿井提升机的副井来说，会在低于油位时，及时的发出报警信号。

4.3.3 提升速度传感器

对于矿井提升机来说，将其提升速度传感器安装在电机机轴上，然后通过编码器来输出相应的信号，保证和主电动机的转速能够成正比。这种设备的作用就是为测量提升机的速度，然后将其接入到PLC上。

4.3.4 电压、电流传感器选择

保证矿井提升机在6000V的环境下工作，然后使用电压传感器，将100V的电压转变为10V电压 通过PLC电压采集模块来采集。而矿井提升机的电流为33.5A，那么利用电流变送器将其转化为小电流，然后再利用电流变电器将电流信号利用PLC进行采集[10]。

4.4 信号采集和传输设备选型设计

随着煤矿生产的自动化发展，在这其中利用无线网络技术能够很好的满足煤矿对于设备的监测要求，保证在这其中不会出现监测误区，而且这样的方法还能够很好的节省成本。利用无线传输的方法保证传输效率，真正的实现实时传输的目的。对当前的无线传输技术进行研究发展，红外线无法穿透不透光物体，而且传输距离短，蓝牙传输距离短，Wi-Fi虽然能够具备很好的传输速度，但是功耗较高。而在这其中GPRS、NB-loT、LoRa最适合动态监测，自身具备覆盖面积广，传输速度快的特点，因为有一些煤矿工程的矿井提升机之间距离较远，所以需要保证技术的远距离传输。利用GPRS、NB-loT、LoRa来进行传输，不需要担心其信号问题，保证信息传输的稳定和准确。

传输模块是GPRS、NB-loT、LoRa技术保证其可靠性的重要方法，在这其中加入监测终端，利用监测终端来连接现场和监测中心，这不仅需要采取监测所需要的信息，而且又与监控中心进行联系，制定所提供的相应命令。所以监测终端的质量对于监测系统有着一定的影响，应该选择最为适合矿井的监测系统。

5 结语

总而言之，矿井机电设备是煤矿行业生产的重要组成部分，当前的在线监测技术有着一定的问题，无法有效的适应当前复杂的工作环境。那么，基于物联网下，将在这其中所存在的WSN、RFID有效结合，就能够很好的了解矿井机电设备状态，有效的推动煤矿产业向智能化、自动化方向发展。通过使用相应的技术来配合矿井机电进行工作，能够为煤矿企业减少因为事故而造成的损失，更好的推动煤矿企业稳定发展。