礦井提升機輔助狀態參數監測系統的開發研究

閆賽鳳

（晉能控股煤業集團四老溝礦大型設備管理隊，山西 大同 037000）

1 礦井提升機組成和參數監測技術分析

1.1 提升系統組成

礦井提升系統主要由主軸、制動、機械傳動、潤滑、操縱、安全保護等六大主要的系統組成[1-2]。根據提升機每個系統對提升作用分類，可分為電動機部分、制動器部分、主軸裝置三個部分。由于提升機的主軸承載著較大的載荷作用力且制動系統在作業過程中會產生大量的熱量，關系到了提升機的安全運行狀態。針對于制動系統和主軸系統就應該加強運行參數的監測，當主軸系統由于零部件的復雜性出現問題時就容易發生主軸的斷裂、彎曲、疲勞破壞等情況。

而制動系統由于溫度升高就會使得閘瓦的間隙擴大，降低了制動性能，容易觸發安全生產事故。溫度也是影響提升機運行狀態的關鍵。在設計提升機輔助檢測系統時，不僅將制動系統的溫度參數考慮在內，也將主軸系統的電動機、減速器、兩側軸承的溫度參數設計至檢測系統中。

1.2 輔助狀態參數監測技術分析

1.2.1 制動系統參數監測

根據《煤礦安全規定》規范的要求，對于制動系統的閘瓦間隙規定不得小于2 mm。對于間隙的測量要選取位移傳感器，滿足礦井內的防爆性能。由于制動盤的摩擦阻力較大，如果采用直接式測量傳感器，使用壽命將縮短。因此選用電渦流式傳感器作為測量閘瓦間隙的元器件，該類型傳感器屬于間接式測量。可通過制動器發熱后產生的紅外線輻射強度變化，對制動盤表面的溫度進行采集分析。熱電阻采用測量范圍為-200 ℃～500 ℃的鉑材料，能夠實現多點和自動控制。

1.2.2 主軸系統參數監測

主軸系統參數的測量主要對電動機溫度、減速器溫度、滾筒兩邊軸承的溫度進行測量。電動機溫度主要通過溫度巡檢儀提前獲知故障信號。當電動機絕緣體產生損壞時，就會發生熱跳閘，選取PT100 溫度傳感器作為感應部件，當電動機回路發生閉鎖現象時，可及時地報警和上傳數據。減速器溫度主要依靠DS18B20 溫度傳感器和單片機，設置減速器軸承溫度大于70 ℃時，監測系統就會發出報警。軸承兩測溫度過高主要原因是油膜發生破壞，傳感器合理排布可提高檢測的可靠性，將PT100 傳感器安裝至軸承座上，可兼顧軸承兩側的溫度測量。

2 輔助狀態監測系統的硬件設計

2.1 硬件組成結構設計

選取STM32F103C8T6 單片機作為監測系統的中央核心處理器。該型號單片機抗干擾能力強，適應惡劣的礦井環境，最高的工作頻率達到75 MHz，同時數據輸入/輸出通道為37 個，存儲器容量為64 kB。選取閘瓦的電渦流傳感器的型號時，應首先考慮是否分辨率較高和抗干擾能力。電渦流傳感器是通過接線電圈的阻抗輻值變化傳遞電壓信號，判斷溫度數值的高低。傳感器探頭距離閘瓦表面的范圍保持在5～7 mm，只能一端接地。閉閘時，閘瓦與制動盤之間的距離大于10 mm 后要及時報警。

2.2 硬件抗干擾技術

提升機受到礦井惡劣因素的外部影響，將輔助狀態監測系統的每個設計電路接地點進行電氣隔離。最有效且最簡單的抗干擾措施就是通過電路單獨接地，防止內外部的耦合干擾。尤其是高壓轉向低壓時，內部二極管受到電氣沖擊后容易發生破壞，可采用光電爐和輸入電路將高低壓之間的電路轉換進行橋接，有效地抑制了漂移電壓的產生，從而達到硬件抗干擾的目的。

3 輔助狀態監測系統的軟件設計

3.1 PyQt5 開發環境搭建及程序應用

PyQt5 開發的軟件功能要實現串行通訊、功能模塊劃分、數據顯示與存儲等三個主要功能。RS-485 總線技術實現通訊接口的兼容匹配。設計監測界面并對不同功能模塊進行劃分，不僅能實時地顯示數據曲線，還能為技術人員調取歷史資料提供數據庫。

采用SQLite 數據庫對系統的驅動類型名稱和連接方式進行定義，當數據庫串聯成功后寫入計算代碼。共計設計三個數據表為存儲訪問用戶的基本信息；獲取傳感器傳輸的測量數據量；存儲歷史故障信息，通過搜索引擎對用戶信息表、監測數據表和故障報警表的字段數據類型、注釋進行定義。

3.2 監測界面設計

提升機輔助狀態監測系統由主界面和子界面組成。通過串口通信信息對故障指示燈進行控制并發出報警信息，不同頻段的數據鏈將通過RS-485 串口發送數據。提高采樣率的循環時間，將檢測數據的采集頻率設置為每150 ms 一次，所有的系統按鍵在正常時都顯示為綠色，當發生故障時變為紅色。

根據提升機各電動機的排布位置，對閘瓦、主軸的監測界面進行可視化界面設計。形成子系統的界面操作，如圖1 所示。

圖1 閘瓦間隙子界面示意圖

4 監測功能實現與測試驗證

大量研究表明，提升載荷變化引起鋼絲繩振動，鋼絲繩纏繞在滾筒上，振動信號又會傳遞到滾筒兩端的軸承上；減速器、聯軸器等部件一旦發生故障，就會產生異常的振動信號，這種信號會影響整個主軸系統。所以，通過監測主軸系統中的振動信號便可以間接反映整個主軸系統的運行狀態。

通過提升機輔助狀態監測系統在實際工程中的應用，對6 大主要故障類型的檢測結果進行統計。提升機輔助故障診斷準確率分別是100%、80%、87%、93%、87%和100%，與人工的診斷結果相比，故障診斷的準確率有較大提高，如表1 所示。因此，基于輔助狀態監測系統自動化故障診斷方法能夠得到更加可靠的故障信息。

表1 故障診斷結果分析