物聯網技術應用下的礦井機電設備狀態監測方案設計

楊秀文

（山西忻州神達金山煤業有限公司，山西 忻州 034000）

近幾年，國家對煤礦安全生產的重視程度不斷提高，并于2013年6月提出“各大煤礦要完善‘六大系統’建設”的要求，要求各礦確保高產量、高安全、高可靠性的運行。機電設備是煤礦生產中的核心，其機械化與智能化水平直接體現了煤礦自動化水平，這就要求煤礦企業必須提高對機電設備的管理與維護水平。礦井機電設備無論是對煤炭開采與運輸，還是提升部分都至關重要，需要企業在生產過程中保持對機電設備運行狀態的實時掌控。傳統機電設備檢測系統能夠實現實時監測、故障報警、跟蹤定位等功能，但監測系統布線復雜，投資成本較大。本文引入物聯網技術，依托物聯網來解決這一難題，進而實現更高水平、更低成本的礦井機電設備監測系統建設。

1 機電設備狀態監測總體設計方案

1.1 總體框架

狀態監測總體框架分為感知層、傳輸層與應用層，其中感知層應用到的主要物聯網技術包括Zigbee技術、RFID技術、無線傳感器技術；網絡傳輸層主要技術有無線局域網技術、GPRS技術、工業以太網技術；應用層主要技術有信息融合技術與云計算技術。系統主要面向井下采掘、運輸機電設備，以及地面提升、通風機電設備。

井下部分的機電設備物聯網由帶式輸送機上的無線傳感器節點、采掘設備構成的小型物聯網、巷道安裝的讀卡器與基站構成，監控數據通過光纖到達調度中心。地面物聯網則由主井與副井絞車房組成，遠距離采用GPRS進行數據傳輸，近距離則采用光纖通信。通風設備自組成小型物聯網，最終匯集到調度中心，基于地面以太網組成無線網絡通信系統。地面部分以4G網絡與工業以太網組合，將井下部分物聯網與地上部分物聯網的所有數據上傳到調度中心，最終形成煤礦機電設備狀態監測物聯網系統。

機電設備狀態監測物聯網系統是建立在云計算的平臺上，云計算技術可實現對實時數據的存儲分析，且數據通信根據井下、地面的實際情況，科學選取光纖冗余工業以太網或者無線傳感網絡，并配合4G網絡、Wi-Fi等無線傳輸技術，完成數據的匯總傳輸。這樣管理人員通過手持移動智能設備便可獲取設備檢測數據，提高了在線檢測的效果。

1.2 礦井帶式輸送機狀態監測系統設計

帶式運輸機是煤礦運輸的大動脈，由于其工作環境惡劣，工作負荷大，導致其在運轉中容易出現斷裂、打滑、堆煤、跑偏、縱向撕裂、托輥失效等故障。根據礦井帶式輸送機的工作原理，針對當前帶式輸送機監控系統存在的主要問題，以及《煤礦安全規程》所規定的至少六種保護功能，輸送機主要故障監測設計方案如下：

表1 輸送機主要故障監測方案

帶式輸送機狀態監測系統在原有工業以太網的基礎上，融合物聯網技術，建設WSN+工業以太網的遠程在線監測系統，其中CCD高速工業相機和探測器數據采用光纖傳輸，其他數據采用無線網絡傳輸。整個系統分為上位機系統與下位機系統兩部分，其中上位機使用Win CC組態軟件設計，負責數據分析、處理，以及界面顯示、控制指令，下位機系統負責數據采集、傳輸。

下位機的數據采集前段設計中，無線傳感器網絡節點由傳感器模塊、無線通信模塊、處理模塊、能量供應模塊組成。

圖1 無線傳感器網絡節點硬件結構圖

巷道基站接收器接收無線傳感器網絡節點的數據，并傳輸到工業以太網。輸煤皮帶上按一定間距安裝移動電子標簽和RFID系統，然后通過讀卡器讀取移動標簽發出的無線信號，并通過無線網絡傳送到Zigbee主節點。數據采集前段采集的數據通過設備接入層接入到地面監測系統，其中企業辦公網絡與工業網絡采用防火墻安全隔離。

2 礦井提升機狀態監測系統設計

2.1 狀態監測總體方案

本文礦井提升機的狀態監測系統主要面向提升容器、液壓系統、主軸裝置、減速器、制動裝置、輔助系統、電動機、鋼絲繩等部位進行監測。系統總分為三模塊、四層設計，如下表所示：

表2 狀態監測系統構成

對提升機的狀態監測參數主要選取電壓、電流、液壓系統壓力、主軸振動、閘瓦間隙檢測、主軸潤滑檢測、滑繩量檢測。系統包括現場采集檢測系統、現場監測系統、遠程監測系統三部分，采集數據發送至基站，然后通過GPRS傳輸到礦區檢測中心。

2.2 檢測系統傳感器選型

傳感器選型要求包括靈敏度、線性度、精度、分辨力等，此外還需綜合考慮傳感器的量程、遲滯、穩定性、響應特征、測量范圍等特征。油壓、溫度傳感器的選擇中，壓力變送器采用MDM4951系列，溫度傳感器選用JWB/Pt100型溫度變送器。提升機速度傳感依靠安裝在提升機電機主軸上的編碼器與深度指示器完成監測保護，將編碼器接到PLC高速脈沖輸入端。提升機工作電壓檢測采用60:1的電壓互感器減壓，通過PLC模擬量采集模塊采集電壓。提升機電流檢測使用電流變送器變小電流，然后通過PLC的模擬量采集模塊采集數據。采用電渦流傳感器監測閘瓦間隙、閘盤偏擺量、閘瓦磨損、主軸振動等狀態。采用速度編碼器監測滑繩量。

2.3 信號采集與傳輸設備選型設計

將傳統有線監測系統升級為無線監測系統，采用GPRS技術作為無線傳輸，PLC選用SIEMENS公司的S7-22型號，集成14輸入/10輸出共24個數字量I/O點，1路模擬量輸出點與2個模擬量輸入點。本系統選用數字量采集模塊EM221一塊，模擬量采集模塊EM231三塊，CPU224XP一塊。PLC擴展模塊、傳感器均通過PLC電源輸出供電，可編程控制器則選用交流110V/230V供電。

2.4 無線傳輸模塊選型設計

由于本系統采集控制器選用的是西門子的S7-200系列，因此GPRS無線收發模塊和配套通訊管理軟件同樣選用西門子配套系列。在無線傳輸系統部分，主要包括天線、GPRS通信管理軟件SINAUT MICRO SC、SINAUT MD720-3 GPRS調制調節器，以及實現S7-200型PLC與移動通信系統的無線連接。系統組網方式選用中心公網固定IP方式，實現監測子站與檢測中心的直接連接。無線傳輸模塊設計完成后，傳感器采集到信號傳輸到工控機上，現場監測數據通過GPRS傳輸到監測站，在顯示屏上可實現實時監控。升降機出現故障時，系統會自動給管理人員發信息。

3 副斜井提升機監控系統界面設計

基于物聯網的在線監控系統界面設計需要滿足基本功能要求，包括簡便易操作，能夠實現實時監測且能以短信的方式將故障第一時間發送給管理人員，能夠根據用戶需求實時生成故障報表。為適應未來發展需求，系統需要具有可擴展性，留有備用空間。此外，系統的故障報警可靠性要高，且各監測傳感器的精度要高，誤差小。在性能上要滿足實時性、集成性、擴展性、開放性與可靠性要求。

監測系統界面在設計中使用WinCC flexible編寫，登錄界面要簡單，登錄后的界面主要包括主畫面、設置（參數設置）畫面、液壓系統、制動系統、電參量、軸振檢測、閘瓦間隙、歷史數據曲線顯示界面，以及故障報警/處理界面。在界面中的每個模塊，顯示機電設備、采煤設備的實施運轉狀態參數，一旦出現故障或異常，界面有顯示燈提示。

4 實踐應用

將設計的機電設備狀態在線監測系統方案應用于山西忻州神達金山煤業12102#綜采面，副井提升機狀態監測系統在副井絞車房投入使用，帶式輸送機狀態監測的實踐使用如下：

圖2 振動監測在礦井帶式輸送機上的應用

通過對輸送機軸承狀態的在線監測，可在線實時監測帶式輸送機的運轉狀態，通過振動信號、溫度信號對故障進行診斷分析，并做出針對性的響應。

圖4 提升機鋼絲繩在線監測

礦井機電設備狀態在線監測系統在山西忻州神達金山煤業12102#綜采面的實踐應用表現出良好的可靠性，通過在線監測界面，能夠清晰地看到帶式輸送機、礦井提升機、通風機等機電設備的運轉狀態，當設備出現故障時，能夠及時地將信息反饋到管理人員的設備上。由此可見，在原有實時監測系統的基礎上，融入物聯網技術，有效地提升了實時監測效果，具有積極的意義。

圖5 提升機狀態監測分析