物联网技术在煤矿设备异常故障监测中的应用研究

王晓兰，陈沙沙

(宝鸡文理学院，陕西 宝鸡 727031)

矿井机械设备的操作情况直接影响煤矿的安全性。然而，目前矿井机械设备监测和故障排除主要依赖于个人经验，有时各种部件和复杂的油路故障排除非常困难。因此，需要一种监测和故障诊断系统，用于矿井设备实时监测和故障诊断。状态条件监测和故障诊断系统的研究受到国内外学者的广泛关注。传感器网络和检测技术是互联网技术的前提和基础，互联网通过各种传感器和无线传感器网络感知全网络，它可以矿井设备的感测热、光、电、声学和位移信号，并为网络系统传输、分析和反馈提供最原始的信息[1]。其中矿井大型设备的正常运行是煤矿生产的基础。煤矿互联网的运行系统需要监控所有主要设备生产，建立装备维修和维修的档案。煤矿企业的设备主要用于严酷的条件下，此外，主要机械和电气设备的内部结构复杂，在长时间连续运行后无法避免故障。目前，大多数煤矿企业采用人工或板自动化机电设备管理预防维修方法。但这种维护方式没有明确目标，很容易忽略问题，造成潜在的安全危险。因此，基于物联网互联网技术建立一套采矿设备状态监测和预测维护系统，以保护设备的安全和有效的操作具有重要意义。

1 矿井设备故障监测方案的设计

1.1 整体方案

系统主要由设备状态监测站、煤矿监测中心、模仿预测性维护系统等组成[2]。系统的整体部件及其附加元件组成如图1所示，主要分为应用层、网络层、感知层。监控站通过使用无线网络与矿井监控中心通信，它不需要矿山网络带宽。矿山监控中心从设备监控子站收集参数信息，并通过无线网络或电缆连接到远程预测维护中心。远程预测维护中心通过与矿井监控终端通信来获得监控数据，分析结果被发送到数据库，专家和技术人员通过所获得的参数值提供评估和维护提议，并通过网络以语句的形式将它们传输到监视终端[3]。相关技术人员以及远程办公室人员可以通过网络登录远程监控预测维护中心，判断各类矿井设备在运行过程中的状态，并通过帐户和密码检查所有设备的现状、故障和维护记录的历史记录。传感器分布在设备上，监控系统由数据采集、数据处理终端和无线网络传输系统组成。

图1 物联网通信系统组成

1.2 系统方案布置与实现

采用矿井提升机设备状态监测系统作为示例。矿山监测站负责收购提升机设备运行参数，并通过局域网和矿井网络传输到矿山监测终端；监控终端位于煤矿调度中心，在其中可以显示实时设备的操作条件，参数将传输到远程故障诊断中心[4]。在此之前，必须设置安装提升机的故障类型及其结构组成方式设计无线数据传输线路，如图2所示。

图2 提升机结构组成

矿山监控终端计算机通过Internet访问方式连接。终端设备还可以通过配备有WiFi模块连接无线接入，网络结构如图3所示。

图3 故障监测系统方案实现示意

2 系统传感器网络的设计

2.1 网络技术总线的布置

ZigBee技术和CAN总线用于构建传感网络。添加了3G/GPRS技术以将所提出的系统连接到互联网[5]。最后，各种感测节点都在煤矿上布置，以获取有关矿井设备中的实时数据。地下传感器网络旨在构建和维护一个感测网络，该网络由分支网络和WSN组成。由矿井骨干线路和采矿表面线路组成了煤矿复杂的网络传输系统。所提出的系统使用CAN总线在骨干线路中构建分支网络，环境相对稳定，电源可提供电缆[6]。由于挖掘表面复杂的环境和功率短缺，部署了无线节点以构造具有ZigBee技术的无线传感器网络，如图4所示。

图4 ZigBee技术的无线传感器网络示意

2.2 网络节点技术

多个矿井设备的无线传输网络是通过集线器节点进行信息的传递。集线器作为覆盖骨干网络的信息接受点，采用CAN种线技术进行信息的输送，通过CAN总线技术实现了多个旁路CAN总线技术的集成。为了实现网络内部节点的信息通讯，每一个传感节点的检测线路都包含了3个模块，分别为8051MCU报警模块、传感器模块和电源管理模块组成。其中，8051MCU模块占据着传感节点的顶层，通过对其余各层的传感器模块发送指令，实现了感测数据和节点的操作，能够使得无线传感器网络按照节点的命令对矿井设备信息进行传递[7]。在感测过程之后，数据被发送到MCU。如果数据超过安全基线，则MCU通过内部寄存器对外部发送警告，信号采用报警信号与声光报警相结合的方式。此时的报警数据会寄存在在RAM中，不会直接通过CAN总线将报警信号进行传递，减小了CAN总线的数据传送压力。当寄存器内部数据过多时，将分批次对感测所得的危险数据发送至服务器进行判断决策，以获得多个感测周期。在感测场景中，位移传感器用于检测矿井设备的非正常移动，以设备偏移出正常的工位[8]。例如基于通过灰尘浓度传感器，通过气体浓度传感器和温度传感器的配合检测到的数据，可以防止爆炸。

2.3 电源保障管理

电源管理模块是保障物联网系统运行的根本。通过防爆隔离开关对用电设备进行驱动，采用的电源驱动模块为AC-DC开关，为所有的矿井机电设备提供电力输出。采用交直流电源作为双向的电力供应系统，当某个电源系统出现故障的时候，立即选择直流电源为矿井设备提供电源。1 000 mAh电池可以保持整个节点以超过600 mW和3 V电压的所有节点的总功率保持超过5 h[9]。有足够的电力储存为整个矿井设备的正常运行提供有效的电力供应时间。分支感测网络的节点与电源切换装置是集成在一起的传感系统，这样设计的目的是为了实现与无线传感器的零延时通信。在无线传感器网络中的关键设备包括：全功能设备(FFD)和缩小功能设备(RFD)。全功能设备(FFD)既是网络路由器，也可以充当网络协调器的角色。网络协调员负责整个网络，充当构建和管理无线网络的角色，对该设备的供电保障可以采用矿井的双向供电线路，如图5所示，同时FFD节点可以与RFD节点和FFD节点通信。

图5 电源管理节点单位示意

3 系统的地面服务器设计

地址服务器系统专为基于服务平台和数据服务器提供的数据处理和服务。在服务器平台中设计了个性服务模块，可以轻松地将更多服务添加到服务器平台中。通过数据服务器分析并存储通过感测节点获取的感测数据，将矿井各类设备的监测数据通过分层管理，形成独有的储存空间。

3.1 服务器平台的建立

矿井设备监测与诊断系统提供的服务器平台服务模块，不仅包括了设备的监测，还包括了对作业人员的监测，形成了人机一体式管理模式[10]。

(1)安全监视器。对设备进行安全监控，以智能地监测煤矿的采矿过程。分布形成了具有煤矿的二维地理视图的传感节点。如果设备意外突然发生，网络内的所有节点都转变为警报模型，并警告矿工关于设备事故情况，可以通过系统服务来检测事故的位置，从而设计解决方案。

(2)设备控制。矿井开采过程中，各类机械设备的工作运行状态是监测与诊断系统需要获得关键数据的主要对象，例如包括矿井设备的功率、灵敏度、经济性等。当对矿井设备的控制出现硬件和软件故障时，需要对检测网络中的节点进行信息变更，防止设备由于功率降低，影响矿井生产的进行，同时也可以对矿井设备的生产信息进行变更，以增强所提出的系统的可靠性。

(3)记录检查。记录检查模块可以带来3个优点。首先，矿井技术人员在设备传感记录的基础上可以分析矿井设备状态；其次，可以通过数据挖掘设备检测安全基线；最后，事故记录有助于技术人员建立更好的设备事故预防计划。

(4)移动连接。建立的系统可以用3G/GPRS技术连接互联网，以享受更多的互联网服务。为了组织更好的救援计划并尽可能减少损失，应将设备故障消息发送给设备操作、管理、维护有关的人员。

3.2 数据服务范围

物联网的信息传送需要依托于强大的数据计算能力以及数据储存系统，在对数据进行管理和服务的过程中，需要设计先进的算法以及内部高级的组织管理体系。为了防止数据严重丢失，可设计为分布式数据管理体系，实现数据分布式共享和快速检索的功能。通过优秀的算法可以对干扰数据进行过滤，提高数据分析的工作效率和精确性，并可以深度对数据的表述意义进行挖掘。因此，应当配置一套先进的数据服务器，能够实现数据存储、检测、提取、分析的功能，有效实现统一数据结构的管理。在整合众多煤矿工作面的数据后，可以通过分布式数据共享技术远程传输和分析传感记录。煤矿的安全基线可以用数据挖掘技术动态调整。此外，所提出的设备管理系统特征在于具有高可扩展性。例如，根据数据系统服务器设计，企业资源规划(ERP)系统可以轻松与所提出的设备管理系统相关联，以获得更方便的设备管理服务，例如人力资源管理和设备资源管理[11]。

4 硬件与软件设计

4.1 硬件选型管理

监测与故障诊断系统的硬件分为下位机和上位机2部分。下位机包含各种传感器和信号采集器，采集全液压钻井工况信息。上位机主要是隔爆型和Ann型计算机，它显示和存储下位机的采集数据。监控系统硬件总体解决方案如图6所示。6种传感器是IP54防爆等级的本质安全型传感器，它们直接测量矿井各类设备的参数，并将物理量转换成模拟电信号。信号采集器获取模拟电信号转换成数字信号并且传输到上位机，通过工业以太网将各个设备数据进行传送。

图6 井下无线硬件设备覆盖示意

4.2 软件设计

基于LabVIEW开发平台的Windows 10操作系统开发状态监测与故障诊断系统软件，使应用软件在Windows开发环境中能有较好的兼容性。应用C语言作为LabVIEW的动态链接库(DLL)。动态链接库可以对源代码进行封装和存储，用于驱动一个CAN总线模块，实现下位机与上位机之间的数据传输。以矿井提升机设备为例，软件采用模块化设计，并形成可视化界面，如图7所示。状态监测与故障诊断系统软件也分为监测模块和诊断模块2部分。监控模块有4个功能：①通过参数设置完成对系统节点参数的完全定义；②对传感器监测点的信息分析与设置；③实现实时监测的功能，不仅可以实现可视化图形监测，还可以进行手工数据存储和自动收发存储；④显示矿井设备的状态信息，如提升速度、压力、流量、温度、湿度等。

图7 煤矿提升机系统监测界面

5 故障监测与诊断系统测试分析

5.1 测试方案

以矿井提升机监测系统为研究示例，模拟对象是基于 2JTP-1.2 型双滚筒单绳摩擦式提升机的制动装置。该提升机利用4对8个盘式制动器进行制动。通过制动装置的相关参数，可以由测量值计算得出制动装置相关标准物理量，如用弹簧力值计算得出制动力等。

根据对提升机制动装置故障树的分析，在充分考虑试验条件环境的基础上，为了增强试验效果，试验中把一端的2副制动器完全打开，处于失效的状态。用另一端的2副制动器工作，通过调节该两副制动器，完成不同的试验方案。试验的整体流程路线如图8所示。

图8 试验流程路线示意

5.2 测试结果分析

分别对提升机制动装置4组故障模拟和正常情况下进行 5 组试验，感知层利用 ZigBee 数据采集系统进行数据的采集。采集所需要用到的传感器要满足选型的需要，并且5组试验只是提升机制动系工作条件不同的情况下进行重复的试验。为了保证对提升机不造成破坏，需要对一副制动器的2个闸瓦间隙同时调大。通过调节制动器 3、4 来增大闸瓦 3、4 的闸瓦间隙。为了从故障数据中分析出有价值的信息，并考虑实际的工作条件和经济因素，按每秒采集 15 组数据进行试验。提升机制动装置故障信息波形如图9所示。

图9 提升机制动装置故障信息波形

利用同样的采集方式，分别对其他4组试验进行一一测试。弹簧力，即制动力矩的变化和闸瓦间隙的变化在所有数据中的变化最明显，为了把闸瓦间隙和弹簧压力的变化情况放在一起清晰对比，把直接采集到的电压信号进行直接对比。制动力故障试验得到的采集结果如图10所示。矿井其他设备运行状态参数的采集也是同样的原理，不再一一赘述，证明了系统设计的正确性，并且能够满足实际的工程需要。

图10 制动力故障试验结果

6 结语

煤炭仍然是我国的主要能源形式，由于现场条件，在连续运行很长一段时间后，煤炭设备无法避免出现一系列问题。针对其开采过程中的设备安全性问题设计了一个智能煤矿监测系统。系统包含一个智能服务器系统和一个由稳定性和效率为特征的集成传感器网络。设计出基于ZigBee的图层框架，呈现了所提出的系统的整体架构，并且详细解释了系统的分支传感器网络和系统的无线传感器网络。通过虚拟的地下传感器网络，地面服务器系统完成了各种便捷的设备故障诊断服务。采矿设备的稳定有效运行是煤炭生产安全的关键。传统的维护模式难以在早期准确和及时找到故障。通过对物联网技术的应用，建立一套基于事物互联网的矿井设备状态监测和预测维护系统，可以确定矿井设备故障并准确预测潜在威胁，对煤炭设备的安全有效运行具有重要意义。