礦井提升機(jī)系統(tǒng)的智能化的應(yīng)用

馬 寧，劉 陽(yáng)，王立杰

（河鋼集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司，河北 邢臺(tái) 054100）

隨著數(shù)字化、智慧化概念的興起，“智慧化城市”、“智慧化礦山”等術(shù)語(yǔ)層出不窮。對(duì)于能源行業(yè)來說，“數(shù)字化礦山”的概念已經(jīng)不再是新鮮的事物。近年來，很多最終用戶、設(shè)計(jì)院以及供應(yīng)商紛紛投身到“智慧化礦山”的建設(shè)之中[1]。但是，究竟如何才是真正的智慧化礦山，如何實(shí)現(xiàn)智慧化礦山，并沒有一個(gè)統(tǒng)一的、成熟的定義或方法。礦井提升系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在無人化運(yùn)行，少人化運(yùn)維。

1 無人化運(yùn)行

無人化運(yùn)行，是智慧化礦山在設(shè)備運(yùn)行層面的基本體現(xiàn)。以瑞典基魯納鐵礦為例。該礦年產(chǎn)量3300萬t，全礦人員編制400余人。其井下生產(chǎn)系統(tǒng)，從水平運(yùn)輸、裝卸載、到提升系統(tǒng)，全部實(shí)現(xiàn)無人操作，所有生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控均設(shè)在地面辦公室，由一名技術(shù)人員看護(hù)。從人員配置數(shù)量來看，無人化運(yùn)行可以大大降低人工數(shù)量和人工成本。但是，無人化運(yùn)行對(duì)提升機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性有著非常高的要求。

首先，提升機(jī)控制系統(tǒng)需要對(duì)于提升機(jī)運(yùn)行指令相關(guān)的功能提供完善的邏輯控制和保護(hù)。包括系統(tǒng)個(gè)環(huán)節(jié)“運(yùn)行”和“就緒”狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，“運(yùn)行”和“停車”指令的準(zhǔn)確性和可靠性，安全回路的穩(wěn)定性和可靠性等。其次，信號(hào)系統(tǒng)需要對(duì)裝卸載、操車及信號(hào)各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作環(huán)節(jié)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，以及各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作自身的可靠性和安全性，信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部以及與控制系統(tǒng)之間信號(hào)通訊的穩(wěn)定性和可靠性[2]。目前，國(guó)內(nèi)很多副井提升機(jī)在這一環(huán)節(jié)是欠缺的，很多執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身的可靠性低，與信號(hào)和控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖和保護(hù)不完善，成為制約提升系統(tǒng)，尤其是副井提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)行的最大障礙。最后，制動(dòng)系統(tǒng)依然是無人化運(yùn)行的最后的安全保障環(huán)節(jié)。這部分要求制動(dòng)系統(tǒng)自身的安全可靠性要高，同時(shí)，主控與制定系統(tǒng)之間的通訊和邏輯聯(lián)鎖及保護(hù)也要達(dá)到很高的安全可靠性。典型的提升系統(tǒng)無人化運(yùn)行硬件結(jié)構(gòu)示意圖（以ABB系統(tǒng)為例）。

圖1 ABB系統(tǒng)無人化硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 少人化運(yùn)維

無人化運(yùn)行，是智慧化礦山在設(shè)備運(yùn)行層面的基本體現(xiàn)，而少人化運(yùn)維，則是從運(yùn)營(yíng)層面體現(xiàn)智慧化的高階層面。從實(shí)際的設(shè)計(jì)和工程經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，設(shè)備終端智能化包括以下三個(gè)方面。①單體自動(dòng)化。②系統(tǒng)自監(jiān)測(cè)和故障自診斷。③預(yù)判機(jī)制和方法。

首先是單體自動(dòng)化。可以說，目前國(guó)內(nèi)礦山生產(chǎn)自動(dòng)化子系統(tǒng)的發(fā)展參差不齊，絕大多數(shù)進(jìn)口設(shè)備的自動(dòng)化程度相對(duì)較高，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備雖然以自動(dòng)化為目標(biāo)，但由于在安全設(shè)計(jì)理念、元器件質(zhì)量、系統(tǒng)可靠性等方面仍然以追求低成本為供應(yīng)商的最終目標(biāo)，因此，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中，包括提升機(jī)在內(nèi)的很多子系統(tǒng)的自動(dòng)化程度并不高。這方面需要一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的過程逐漸發(fā)展和解決。在單體自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)自監(jiān)測(cè)能力和故障自診斷能力，是實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備智能化的重要工具和方法。仍然以ABB提升機(jī)控制系統(tǒng)為例，介紹一下如何通過硬件、軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自監(jiān)測(cè)和故障自診斷能力的。

首先是一款軟件，名稱叫跳閘記錄器。它是一款專門針對(duì)提升機(jī)開發(fā)的一款軟件。它安裝在裝有OPC服務(wù)器的上位機(jī)中，可以連續(xù)記錄提升機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如位置、速度、電流、制動(dòng)壓力、力矩等。它的一個(gè)最大的特點(diǎn)是能夠自動(dòng)記錄從跳閘開始前2s，一直到提升機(jī)安全停車全過程中的所有相關(guān)的跳閘數(shù)據(jù)，便于排查故障原因；同時(shí)，它還能提供首故障信息，有助于維護(hù)人員查找故障的根本原因。

圖2 ABB跳閘記錄器

圖3 ABB Argus數(shù)據(jù)采集儀

接下來是一款硬件，叫Argus（圖3）。這是一款功能非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集儀。照片中顯示的是直接安裝到提升機(jī)控制柜中的一種Argus。它可以以毫秒級(jí)的速度直接監(jiān)測(cè)提升機(jī)系統(tǒng)中任何一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)和具體信息，包括控制器、監(jiān)視器、變頻器、電機(jī)、制動(dòng)單元等等。

除了我們通常理解的信號(hào)采集和記錄的功能之外，它的一個(gè)最大的特點(diǎn)，是能夠直接針對(duì)脈沖編碼器的信號(hào)做頻譜分析。我們知道，在提升機(jī)的機(jī)械部分中，包括整個(gè)罐道、滾輪罐耳、鋼絲繩、滾筒等等，如果它們發(fā)生磨損、卡滯、或是有潛在的機(jī)械損傷，都會(huì)是直接反映到脈沖編碼器的輸出信號(hào)上，但是，這種信息的反應(yīng)依靠常規(guī)的信號(hào)采集和顯示是無法辨識(shí)的，我們這里所說的Argus通過其內(nèi)置的信號(hào)處理系統(tǒng)，可以辨識(shí)、顯示、定位機(jī)械部分的故障點(diǎn)。這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員，特別是機(jī)械工程師，無疑是提供了非常有效的檢測(cè)方法。

同時(shí)，Argus可以自動(dòng)將故障信息上傳至指定的存儲(chǔ)位置，供現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程診斷時(shí)使用。除了上述用于控制系統(tǒng)的軟、硬件以外，還有一款專門針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和診斷工具，叫Drivewindow（圖4）。它專門用于傳動(dòng)系統(tǒng)，可提供參數(shù)維護(hù)、監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、故障記錄等等功能。是一款參數(shù)/信號(hào)維護(hù)工具，可用于查看實(shí)際值、修改參數(shù)以及導(dǎo)出/導(dǎo)入變頻器參數(shù)。

圖4 ABB Drivewindow數(shù)據(jù)記錄界面

通過上述監(jiān)測(cè)和診斷工具，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)提升機(jī)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，那么，這些信息送到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是如何做出相應(yīng)的呢？再來看提升機(jī)系統(tǒng)的故障定義。圖5顯示了ABB對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)故障的判斷和相應(yīng)機(jī)制。在判斷方面，我們考慮的因素有：故障的損害程度、發(fā)生頻率及持續(xù)時(shí)間，以及是否可以采取措施來避免。在響應(yīng)方面，根據(jù)上述判斷的結(jié)果，進(jìn)行一個(gè)三維的分類。

圖5 故障判斷及對(duì)應(yīng)算

按照這種故障處理機(jī)制，ABB提升機(jī)系統(tǒng)的最大故障定義清單為420個(gè)，這些故障定義已經(jīng)涵蓋了目前提升機(jī)系統(tǒng)可能遇到的所有故障。在軟、硬件以及故障算法的基礎(chǔ)上，智能化的終端設(shè)備還需要有先進(jìn)的狀態(tài)預(yù)判機(jī)制和處理方法。在ABB提升機(jī)系統(tǒng)中，都提供先進(jìn)的系統(tǒng)巡檢和在線測(cè)試功能，一方面，通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的系統(tǒng)問題和故障，大大降低意外故障的發(fā)生率，從而縮短非正常停機(jī)時(shí)間，并減輕正常檢修和維護(hù)的工作量；另一方面，通過預(yù)判機(jī)制，能夠有效提供備品備件的需求信息和更換信息，即便于維護(hù)管理，同時(shí)又有效實(shí)現(xiàn)按需儲(chǔ)備的成本效益。

對(duì)于一個(gè)完整的智能生產(chǎn)終端來說，通過以上故障預(yù)判、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)以及故障診斷的環(huán)節(jié)所獲得的信息，提交至控制系統(tǒng)中按預(yù)定義的故障清單及措施響應(yīng)機(jī)制，最終形成終端子系統(tǒng)的健康狀態(tài)報(bào)表。這個(gè)健康狀態(tài)報(bào)表涵蓋了生產(chǎn)自系統(tǒng)中各個(gè)單元的運(yùn)行狀態(tài)、性能狀態(tài)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的接口，上傳至數(shù)字礦山的生產(chǎn)過程集成管控系統(tǒng)，然后再進(jìn)一步上傳至生產(chǎn)專家優(yōu)化系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 智能化生產(chǎn)子系統(tǒng)與上層系統(tǒng)