基于物联网实现矿井运输设备的状态监测

李思旺

（西山煤电集团东曲矿供应科，山西 古交 030200）

引言

矿井机电设备为煤矿生产的核心，包括煤矿工作面的开采、运输以及提升等。在当前计算机水平、控制策略不断进步的同时，综采工作面不断朝着机械化、现代化、智能化的方向发展，其中离不开对工作面机电设备运行状态参数的掌握。目前，矿井机电设备的监测主要基于以太网来实现[1]。但是，在实际应用中基于以太网的无线或有线通信方式由于现场布线困难或工作面太长等问题导致其应用存在较大局限性，且投入的成本也较大。为此，本文提出基于物联网实现对矿井机电设备运行状态的监测，并重点对矿井运输系统的状态进行监测。

1 基于物联网矿井机电设备状态监测的总体设计

1.1 矿井物联网概述

从广义上讲，物联网是按照特定的协议将设备、产品等与互联网进行智能化的通信，对数据进行准确交换。物联网的本质属性进一步提升了人们生产和生活的智能水平。

从结构及功能方面，可将物联网分为感知层、网络层和应用层。以矿井生产为例，感知层主要功能为通过所配置的各类传感器对现场机电设备的运行参数进行采集；网络层的主要功能为通过WIFI传输技术将所采集的参数传输至上位机；应用层主要功能是将上传至上位机的数据进行分析处理并得出相应的控制指令。

从技术层面分析，结合物联网各层的功能，其涉及到的关键技术包括传感器感知技术、网络传输技术、远程监控技术以及数据分析处理技术等[2]。对于矿井生产而言，目前物联网主要应用于工作面的可视化监控系统、井下环境监测系统、人员定位系统、电力监测系统等。

1.2 矿井机电设备状态监测系统的总体框架

在煤矿生产的众多机电设备中，可将其粗略分为移动设备和固定设备。其中，对于移动机电设备状态监测的难点在于对传感器的布置，目前主要采用功率传感器或高速红外CCD相机实现。而对于固定机电设备而言，主要将传感器固定安装于容易发生故障的位置或与机电设备核心部位相近的位置。鉴于固定传感器在机电设备状态监测应用的局限性，选用无线传感器网络技术实现对传感器的布置，并基于WSN网络技术形成数据传输网络，最终通过以太网完成所有数据的传输。

此外，基于以太网实现对矿井机电设备状态监测，是在原有工业以太网的基础上，将WSN技术、红外射频以及电子标签技术添加到其中，最终搭建基于以太网和无线传感器网络的监测系统，从而实现对矿井机电设备运行状态参数的无缝监测。

本文将重点以带式输送机、提升机等为载体研究基于物联网实现对其运行状态的监测。

2 基于物联网对带式输送机运行状态的监测

2.1 带式输送机故障的监测方法

带式输送机为煤矿生产工作面主要运输设备，在实际生产中其常见的故障为输送带打滑、断裂、总线撕裂、堆煤等故障。本着通过建立基于物联网的带式输送机运行状态监测系统提升对设备故障的精确、及时掌握，避免事故的扩大，保障设备及人员的安全性[3]。同时，为保证监测结果的准确性，需为各种故障配置有效的检测手段，具体如下：

1）针对输送带断裂的故障，采用X射线高频高压发生器与CMOS探测器实现对故障信息的在线测试和显示。

2）针对输送带纵向撕裂的故障，采用光电传感器与CCD工业相机相结合的方式对故障进行预警和控制，对应的传感器布置如下页图1所示。

图1 输送带纵向撕裂故障监测传感器布置图

3）针对输送带跑偏的故障，采用霍尔开关传感器与输送带跑偏开关相配合，在对设备滚筒转速和输送带运行速度监测的基础上，对故障进行监测。

此外，还配置了GUD1型矿用本安型堆煤传感器对输送带的堆煤故障进行监测；配置KGN1-B本安型烟雾传感器对现场的烟雾浓度超标情况进行报警。

2.2 基于物联网带式输送机故障监测功能的实现

鉴于针对输送带故障监测中应用到的探测器和工业相机的数据量极大，采用光纤网络对其采集到的数据进行传输；其他传感器所采集到的数据采用无线传感器网络进行传输。基于物联网带式输送机故障监测系统的结构如图2所示。

图2 基于物联网带式输送机故障监测系统结构示意图

一般，无线传感器网络所获取的数据是通过在工作面主巷道内安装的接收器进行中转被传输至以太网，最终被上传至全矿调度信息系统。基于物联网实现无线传感器网络与以太网通信的结构如图3所示。

图3 无线传感器网络与以太网通信功能的结构

3 基于物联网对提升机运行状态的监测

提升机同样作为煤矿生产的主要运输设备之一，对其故障及运行参数精准、及时监测尤为重要。结合提升机在实际应用的经常发生的故障及维修记录，要求基于物联网的监测系统可对电气设备电流及电压、液压系统压力、主轴的振动信号、制动系统的闸瓦间隙和偏摆量等运行参数进行监测[4]。

为保证监测数据的准确性，对运行及故障参数监测传感器选型时需综合考虑监测的灵敏度、线性度、精度以及分辨力等参数。传感器的选型结果如下：

针对液压系统压力采用MDM4951压力变送器实现；针对液压系统液压油温度采用JWB/Pt100温度变送器实现；采用提升机电机主轴上安装的编码器与深度指示器实现对提升速度的监测；采用限位开关对提升机制动系统闸瓦间隙和闸瓦的磨损情况进行监测，具体型号为YDYT9800型电涡流位移传感器；针对主轴的振动采用YD9800电涡流位移传感器对其振动位移量进行监测。

基于物联网设计的提升机状态监测系统的总体结构如图4所示。

图4 基于物联网提升机状态及故障监测系统整体结构图

如图4所示，各类传感器对提升机故障及运行状态参数的采集，所获取的数据通过矿井的基站传递至整个矿井的监测中心。同时，操作人员还可通过手机对提升机的实时运行参数进行监测。

4 结论

实现对矿井生产中涉及到的机电设备运行参数及故障信息的监测，对于保证设备及人员安全具有重要意义。传统状态监测基于以太网为核心实现，该种方式存在监测不到位、成本高的问题[5]。为适应恶劣环境下煤矿机电设备运行状态的精准、实时监测，本文基于物联网分别建立提升机和带式输送机的监测系统，并总结如下：

1）基于物联网中的关键GPRS、WSN以及红外射频技术为核心建立的状态监测系统，可推动煤矿企业智能化和自动化发展；同时，基于GPRS传输技术可在低成本下实现对机电设备直观的监测；

2）在实践应用中，采用以光电传感器和CCD工业相机对输送带纵向撕裂故障的监测，可极大降低由纵向撕裂所带来的损失；

3）基于物联网建立的机电设备故障监测系统可提供友好的人机界面，且具有良好的监测实时性。