基于物联网的矿井提升机状态监测系统

张江林，段 东，弓培林，刘混举

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.晋城煤业集团 成庄煤矿，山西 晋城 048021）

0 引言

矿井提升机属于机、电、液、计算机控制一体化技术的大型设备，被称之为矿井上下运输的“咽喉”。矿井提升机经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中，电动机频繁正反向转换，传动特性复杂。虽然矿井提升机本身有一些保护措施，但由于煤矿生产的复杂性、环境的恶劣性和研究的局限性，有些保护未达到预期效果，致使煤矿生产中仍时有提升系统的重大人员伤亡和设备损坏事故发生。物联网作为新兴的信息网络技术，为提升机状态监测提供了新的智能化手段，能将提升机的实时状态传输到企业内部网，方便管理人员查询和制定维修计划。

1 矿井提升机状态监测系统总体方案设计

基于物联网的矿井提升机状态监测系统总体上分为四层：底层感知层、设备接入层、网络传输层和上层应用层。

本文根据煤矿实际需要，以及提升机的常见故障和维修记录，以2JK-2.5／20型矿井提升机为开发对象，设计基于物联网的矿井提升机状态监测系统，主要实现对以下参数的监测：①电气设备的电流、电压等电量参数的在线监测；②液压系统的压力在线监测；③主轴系统振动信号的在线监测；④制动系统闸瓦间隙的在线监测、制动盘偏摆量的在线监测；⑤监测主轴润滑系统有无润滑油流动，避免在关闭润滑系统阀门的情况下运行提升机。

根据煤矿需求，设计监测系统包括现场采集检测系统、现场监测和远程监测三部分。提升机房安装一套现场监测系统，能直观地看到提升机的运行状况，基站将接收到的数据通过GPRS传输到矿区的监测中心，数据上传到互联网上，集团总公司可以通过互联网查看到矿井提升机的运行状况。此外，煤矿的管理人员也可以通过手持通讯设备即手机等，加入提升机监测的小型物联网中，获取提升机实时状态信息。矿井提升机状态监测系统通信结构见图1。

2 矿井提升机状态监测系统硬件设计

2.1 监测系统传感器选型

在实际选取传感器时，需注意灵敏度、线性度、精度、分辨力等传感器的基本特性。

图1 矿井提升机状态监测系统通信结构示意图

2.1.1 油压、温度传感器选型

提升机润滑系统工作过程如下：油箱-油泵-过滤器-润滑部位-多余油回到油箱，正常工作压力为0.2MPa～0.3MPa。故本系统采用MDM4951系列压力变送器采集油泵压力并设定油压报警限度，超限发出报警信号，通过PLC数字量输入接口采集油压报警信号；选用JWB／Pt100型温度变送器检测润滑油温度。

2.1.2 提升速度传感器选型

安装在提升机电机轴上的编码器和深度指示器上的编码器输出的数字脉冲与主电动机的转速成正比，它们用于提升机速度和行程的测量与速度保护，编码器接至PLC高速脉冲输入端。

2.1.3 电压、电流传感器选型

矿井提升机工作电压为6 000V交流，采集电压时使用60:1的电压互感器降低电压，然后通过电压变送器变换成0V～5V直流电压信号或者4mA～20mA电流信号，由PLC的模拟量采集模块采集。提升机电机定子电流为33.5A，使用电流变送器将电流变为小电流，再通过PLC的模拟量采集模块采集。本监测系统采集此提升机的电机母线电压和逆变电流。

2.1.4 闸瓦监测传感器选型

闸瓦监测一般包含轴瓦间隙测量、轴瓦磨损测量和闸瓦偏摆测量。其传感器均采用非接触式电涡流传感器。因为闸瓦间隙需小于2mm，使用限位开关将间隙限值设为2mm，超过2mm则发出报警信号。闸瓦磨损监测同样采用限位开关检测，超限输出报警信号。闸盘偏摆量监测的方法是分别在两闸盘一侧固定安装电涡流传感器，实时监测闸盘旋转时的跳动信息。本系统采用上海测振自动化仪器有限公司的YDYT9800型电涡流位移传感器测闸瓦间隙和闸瓦偏摆量。

2.1.5 主轴振动传感器选型

矿井提升机状态监测系统一般是测量一个平面内相互垂直的两个方向，轴向和径向分别安装一只电涡流传感器探头。本系统选用两个上海测振自动化仪器有限公司的YD9800型电涡流位移传感器。

2.2 信号采集与传输设备选型设计

本系统选用SIEMENS公司的S7-200型PLC进行信号采集，其可靠性高，性价比高，扩展性好，适用于小型控制系统。PLC与现场监测站的PC连接，对监测系统进行控制，采用PC／PPI电缆与现场监测PC进行点对点（PPI）通信，实现RS485接口转换为RS232，通信传输速率快，程序的安全保护通过用户程序的三级口令得到保障。

根据监测系统数据采集点数的要求，并考虑PLC端子数目要有一定的预留量，为以后新设备的接入或设备调整至少留出25%的备用端口。本监测系统选用CPU224XP一块，模拟量采集模块EM231三块，数字量采集模块EM221一块。提升机信息采集如表1所示。

表1 副斜井提升机信号采集

2.3 无线传输模块选型设计

选择用无线传输的方式对设备进行监测，减少了布线的繁琐和成本较高的问题，同时，传输速率更快，系统的实时性更好。

GPRS技术拥有传输覆盖面广、传输速率快等优点，适用于本监测系统。GPRS的可实行性、可靠性直接影响着整个监测系统的稳定性，是联系提升机部分监测系统和中央监测站的纽带，鉴于系统的采集控制器选用的是西门子S7-200系列CPU，所以选用西门子配套的GPRS无线收发模块和配套通信管理软件，包括GPRS通信管理软件SINAUT MICRO SC、天线、SINAUT MD720-3GPRS调制解调器。

GPRS无线组网有四种组网方式，根据本系统的要求，选用中心公网固定IP方式进行组网，由监测子站的MD720-3通过公共网络的固定IP地址直接与中心的SINAUT SC路由和OPC SERVER软件建立连接，减少中间由于运营商原因产生的网络不稳定因素。

基于物联网的矿井提升机监测系统的硬件组成见图2。传感器采集到的信号和数据传输到工控机上，通过液晶屏显示提升机的实时状态，现场监测站数据通过GPRS传输到机电科监测站，当提升机出现故障，会自动给管理人员发送短信。

3 监测系统上位机设计

基于物联网的矿井提升机监测系统主要包括主画面、参数设置画面以及电参量、闸瓦间隙、轴振检测、历史数据曲线显示界面和故障报警界面等。

传感器采集到的信号进入PLC，通过 WinCC win对西门子PLC进行编程，工控机上安装SINAUT MICRO SC软件与PLC进行通信，WinCC flexible组态软件与OPC进行通信。

图2 矿井提升机监测系统硬件组成

系统主要实现以下功能：

（1）实时采集数据，实现对提升机的电气系统（设备）电参量的在线监测、液压（润滑）系统工作参数的在线监测，将主轴振动信号、制动盘偏摆、闸瓦间隙及空行程时间、提升钢丝绳等数据采集到数据服务器。

（2）组态集中显示提升机监控点参数（如工作状态、监测项目、报警状态、通信状态等）。

（3）能自动生成提升机各项数据的并行历史曲线，并可查询任意用户、任意参数、任意时段的历史数据，历史数据和曲线应便于转存和打印。

（4）实时显示并记录各种报警信息，如液压站压力不足、油温过高、主轴振动异常、通信故障等。

（5）因为OPC可由客户端和服务器同时监控，需根据使用人员来自的部门不同，设置特定的操作权限，以防不同级别的操作人员越权操作。

（6）上位机系统软件及数据库软件应采用正式授权版本，保证其稳定可靠，该数据库应具备查询功能强、完整，能兼容不同通讯协议的功能。

（7）使用菜单驱动显示，保证用户指定一般技术人员就能编制，而不需要掌握机器语言和特殊编程语言，在系统中增加或改变一个点不应要求再编译系统。

4 结语

经测试，基于物联网技术的矿井提升机状态监测系统具有良好的运行可靠性，能对提升机的运行状况进行实时监测，在机电科调度中心的工控机上，也可以看到提升机的运行状况，设备出现故障时，能及时发送短消息到管理人员的手机上，操作方便，便于管理。基于物联网的矿井提升机监测系统集数据采集、存储、分析和处理功能为一体、实时性强、界面友好。本文的研究成果已部分应用在项目合作企业的实际生产管理中，取得了一定的效果。

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