基于物聯網的礦井提升機遠程監測與故障診斷系統研究

劉 杰 孟憲波 白星振

（1. 淄博礦業集團有限責任公司岱莊煤礦，山東 濟寧 272000；2. 山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

1 引言

目前提升機的運行環境比較惡劣，提升設備的自動化程度有限，其啟停、控制都是由現場工作人員實時操作，難免會出現失誤，導致提升機發生安全事故[1]。另外，由于提升設備型號多且結構系統復雜，其故障發生后的快速診斷及排除工作面臨著各種困難[2]。所以，設計一個有效的監測系統來保證提升機運行的安全和穩定顯得尤為重要。本系統結合先進的網絡技術、信息技術和自動化技術的優勢，進行物聯網架構的礦井提升設備遠程工況監測與故障診斷系統的設計，提高提升運行工況實時監控及故障的診斷能力。

2 礦井提升機監測系統設計

2.1 系統架構設計

礦井提升設備遠程監測系統主要由信息測量模塊、網絡傳輸模塊、遠程控制平臺、視頻監視系統等組成，系統組成架構如圖1 所示。現場量測模塊由各類礦用傳感器和礦用攝像頭組成，在實際運行過程中，所需要的提升機的運行數據和控制柜的控制狀態數據可通過量測模塊獲得。采集到的數據經過網絡傳輸模塊傳輸到遠程控制端，網絡傳輸模塊主要由光纖、光纖收發器和交換機組成，傳輸過程中采用DP 通訊，提高了數據的傳輸速率，降低了通訊故障。遠程控制端由遠程控制平臺和視頻監視系統組成，遠程控制平臺是對傳輸過來的數據進行處理和分析之后，將提升機的運行狀態、故障信息通過光纖反饋給現場控制柜，使工作人員在集控室內便可對提升機的故障進行判斷和處理。視頻監視系統通過光纖將礦用攝像頭與位于副井絞車房的視頻監視器相連，監控人員可以清楚地通過監視器監視主井現場設備情況。另外，現場操作的每套提升機上都對應著一臺上位計算機，用來分別顯示各自提升機的運行狀態和重要參數。

圖1 監測系統架構

2.2 系統功能設計

本提升機遠程監控系統在充分利用已有就地操作平臺的基礎上，基于光纖環網、海量數據存儲、數據分析及動態信息服務等技術，主要實現以下功能：

（1）數據信息的采集及存儲；

（2）基于光纖冗余的可靠傳輸；

（3）遠程人-機交互，實時監視、語音提示及控制；

（4）多角度、全方位視頻監控；

（5）遠程故障診斷和故障輔助排查。

3 數據處理技術及故障診斷

3.1 數據處理技術

數據處理包含三部分內容，分別是數據采集與整合、數據存儲、數據處理和分析。數據處理框圖如圖2 所示，具體的模塊可如下描述。

（1）數據采集模塊。數據采集模塊由各類礦用傳感器和礦用攝像頭等部分組成，可采集數據的來源主要是提升機的運行數據和控制柜的控制狀態等數據[1]。

（2）數據存儲模塊。通過對數據庫進行篩選和整合，可以很好地滿足數據海量、多樣化和低成本的存儲要求，并且能夠將適合分析的數據篩選整合出來。

（3）數據處理和分析模塊：數據處理主要是指遠程操作站對數據采集模塊采集的信息進行處理，運用大數據技術、信息融合技術、機器學習算法，對提升機運行狀態進行分析。

圖2 數據處理框圖

3.2 故障診斷

在故障診斷及維護方面，本論文基于提升機大數據，利用多類型的傳感器進行了信息融合，通過對提升機的運行工礦信息、在線監測數據進行分析，構建出了一種在線的提升機故障診斷模型。在煤礦的實際生產過程中，由傳感器采集到的數據往往存在著數據量大、數據冗余、缺乏時效性等缺點，所以不能直接使用[3]。針對此類問題，本文采用了機器學習算法對數據進行了預處理，針對故障數據中存在的缺失值、連續值進行處理，使數據更加穩定，提升了故障診斷的精度。

另外，根據以往的經驗，現場的維護人員對提升機的故障描述具有差異性，采用遠程電話進行指導有時候不能很好地解決問題。當提升機發生故障時，專業技術人員通常不能及時趕赴現場進行處理。針對這一問題，此次設計安裝了遠程診斷軟件及服務終端，經Internet 與控制廠家遠程服務中心連接，實時采集監控提升機系統控制系統PLC 程序、實現故障診斷和程序修改、上傳和下載，第一時間在線解決現場設備故障，并依據云數據分析現場設備[4]，為用戶提供周期保養建議。

4 系統實現

本文根據預期實現的各種功能，設計了如圖3所示的系統主控界面圖。系統的主界面主要負責顯示當前提升機的運行狀態、電機運行參數、提升機的電氣參數、煤倉參數等系統實時參數信息。

圖3 系統的主控界面圖

系統操作界面左側設有安全回路、報警記錄、歷史曲線、保護測試、閘盤檢測五個按鈕，點擊對應的按鈕可以跳轉到對應的界面。安全回路的設計主要是用來確保系統安全可靠的運行，當發生整流柜故障、電源欠壓故障、尾繩故障等意外情況時，安全回路中對應的繼電器會斷開。此外，在遠程操作站設有緊停按鈕，可直接控制安全回路的中斷。系統的安全回路設計如圖4 所示。

圖4 系統的安全回路設計圖

報警界面可以查看提升機運行過程中產生的報警信息。報警信息包括報警時間、報警錯誤類型等信息。歷史曲線可以用來查看提升機運行過程中產生的歷史信息，保護測試界面可以對提升機的主要保護性能進行測試，閘盤顯示界面可以顯示各井閘盤間隙的大小和閘盤的工作狀態。提升機運行的歷史曲線如圖5 所示。

圖5 歷史曲線

5 總結

基于物聯網的礦井提升機遠程監測與故障診斷系統采用了物聯網技術+光纖傳輸技術+工業DP通訊技術將信息感知、網絡傳輸、數據處理技術融為一體，設計了一套配置主井智能化集中提升系統，解決了目前礦井監測系統存在的布線困難、搭建難度較大等問題[5]，節省了提升設備的檢修成本，提高了提升設備運行的安全性和可靠性[6]，實現了對礦井提升系統的無人值守智能控制。