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机 电 工 程 技 术 第４９卷 第０８期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＆ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏｌ ４９ Ｎｏ ０８ 收 稿 日 期 ２０２０－０２－２０ ＤＯＩ１０ ３９６９／ ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０８ ０９１ 马 斌矿 井 提 升 机 在 线 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 设 计 ［Ｊ］．机 电 工 程 技 术 ，２０２０，４９（０８）２７４－２７５ 矿井提升机在线监测与故障诊断系统设计 马 斌 （大 同 煤 矿 集 团 有 限 公 司 忻 州 窑 矿 ，山 西 大 同 ０３７０２１） 摘 要 针 对 某２ ｍ提 升 机 的 技 术 特 征 ，对 提 升 机 发 生 的 主 要 故 障 进 行 分 类 ，并 分 析 介 绍 了 各 故 障 发 生 的 原 因 及 控 制 措 施 。提 出 了 一 种 基 于ＰＬＣ控 制 器 的 监 测 方 案 ，对ＰＬＣ控 制 柜 与 传 感 器 模 块 进 行 了 选 型 设 计 ，并 对 监 测 系 统 的 软 件 主 程 序 进 行 设 计 。提 出 的 监 测 系 统 可 实 现 提 升 机 运 行 状 态 的 在 线 监 测 ，保 证 工 作 过 程 的 稳 定 性 ，具 有 较 好 的 实 时 监 测 功 能 与 故 障 预 警 功 能 。 关 键 词 矿 井 提 升 机 ；ＰＬＣ控 制 器 ；在 线 监 测 ；故 障 诊 断 中 图 分 类 号 ＴＤ６７６ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １００９－９４９２（２０２０）０８－０２７４－０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｈｏｉｓｔ Ｏｎ－ｌｉｎｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａ Ｂｉｎ （Ｘｉｎｚｈｏｕｙａｏ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，Ｄａｔｏｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ，Ｌｔｄ，Ｄａｔｏｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ ０３７０２１，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ２ｍ ｈｏｉｓｔ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｉｓｔ ｗｅｒｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｆａｕｌｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｂｉｎｅｔ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｉｓｔ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔ；ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ０引 言 煤 炭 资 源 是 我 国 的 基 础 能 源 之 一 ，被 广 泛 应 用 于 电 力 、 冶 金 等 行 业 ，与 我 国 经 济 的 基 础 建 设 与 发 展 紧 密 相 连 ［１］。矿 井 提 升 机 是 煤 矿 生 产 过 程 中 的 一 种 交 通 运 输 工 具 ，主 要 负 责 物 料 以 及 人 员 的 升 降 工 作 ［２］。矿 井 提 升 机 如 果 发 生 故 障 ，轻 则 降 低 煤 矿 的 生 产 效 率 ，影 响 经 济 效 益 ，重 则 威 胁 工 人 的 生 命 安 全 ［３］。因 此 ，提 高 矿 井 提 升 机 的 安 全 性 ，保 障 工 作 过 程 的 稳 定 性 是 十 分 必 要 的 。目 前 ，国 内 大 多 数 煤 矿 采 用 人 工 监 测 的 方 式 对 提 升 机 的 运 行 参 数 进 行 采 集 ，不 仅 耗 费 了 巨 大 的 人 力 物 力 ，最 终 达 到 的 监 测 效 果 也 很 有 限 ［４－５］。所 以 本 文 针 对 石 岩 庄 提 升 机 的 技 术 特 征 设 计 了 一 种 在 线 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 。 １提 升 机 技 术 特 征 及 故 障 分 析 矿 井 提 升 机 通 过 钢 丝 绳 与 滚 筒 之 间 产 生 的 表 面 摩 擦 力 来 牵 引 井 筒 中 的 罐 笼 ，完 成 工 作 人 员 或 者 物 料 的 运 送 任 务 。本 文 设 计 的 监 测 系 统 基 于 某 提 升 机 的 应 用 背 景 ，提 升 机 主 要 由 电 动 机 、减 速 装 置 、液 压 制 动 系 统 、润 滑 装 置 、滚 筒 、钢 丝 绳 、深 度 指 示 器 、罐 笼 和 电 控 系 统 等 组 成 ［６］。该 提 升 机 的 技 术 特 征 如 表１所 示 。 为 了 更 加 合 理 地 监 测 提 升 机 运 行 状 态 ，对 提 升 机 的 故 障 进 行 了 分 类 分 析 ，主 要 可 分 为 钢 丝 绳 打 滑 、主 轴 故 障 、减 速 器 故 障 、制 动 装 置 故 障 、液 压 系 统 故 障 及 润 滑 系 统 故 障 。钢 丝 绳 负 责 连 接 滚 筒 与 罐 笼 ，当 钢 丝 绳 表 面 受 到 污 染 或 者 提 升 机 超 载 的 情 况 下 可 能 发 生 打 滑 ，应 对 钢 丝 绳 涂 敷 增 摩 油 。减 速 器 的 故 障 主 要 来 源 于 齿 轮 与 轴 承 ，如 齿 轮 出 现 裂 纹 或 者 断 裂 情 况 时 ，齿 轮 之 间 的 磨 损 增 大 ，啮 合 度 下 降 ，各 传 动 轴 会 产 生 一 定 的 振 动 ，导 致 轴 承 的 磨 损 增 大 ，引 起 减 速 器 整 体 温 表１ 石 岩 庄 提 升 机 技 术 特 征 序 号项 目参 数 １提 升 机 方 式立 井 双 钩 罐 笼 提 升 ２提 升 机 型 号２ＪＫ２ ０ ９ ３滚 筒 个 数宽 度２ ９００ ｍｍ ４减 速 机 型 号ＺＺＬ６３０ ５减 速 机 传 动 比２０ ６制 造 厂 家山 西 新 富 升 机 器 制 造 ７工 作 闸 形 式双 面 盘 形 闸 ８电 动 机 型 号ＹＲ３５５Ｍ ９电 压６６０ Ｖ １０电 动 机 功 率１６０ ｋＷ １１电 动 机 生 产 厂 家山 西 电 机 制 造 有 限 公 司 １２电 控 型 号ＴＫＤＰＬＣ １３电 控 生 产 厂 家淮 南 市 六 信 电 控 设 备 有 限 公 司 １４提 升 容 器 类 别罐 笼 １５提 升 容 器 容 量２ １ ｔ １６最 大 提 升 速 度４ ｍ／ ｓ １７提 升 一 次 循 环 时 间１８０ ｓ １８提 升 保 护 装 置九 大 保 护 １９提 升 高 度３６２ ｍ ２０天 轮 直 径２ ｍ ２１钢 丝 绳 长４５０ ｍ ２２钢 丝 绳 结 构６ １９－２４ ５ 度 的 上 升 。制 动 装 置 故 障 是 指 制 动 器 无 法 正 常 制 动 ，当 制 动 器 表 面 磨 损 严 重 ，闸 瓦 温 度 升 高 等 现 象 时 ，会 引 起 制 动 器 失 效 ，无 法 完 成 制 动 任 务 。液 压 系 统 主 要 负 责 为 提 升 机 减 速 或 停 机 时 ，提 供 制 动 阻 力 ，在 制 动 过 程 中 ，空 气 可 能 会 进 入 液 压 系 统 ，油 压 发 生 波 动 ，导 致 制 动 效 果 不 明 显 等 故 障 。润 滑 系 统 主 要 负 责 对 机 械 设 备 的 降 温 ，通 常 润 滑 油 的 温 度 应 保 持 在２０ ～５０ ℃之 间 ，当 润 滑 油 温 度 过 高 时 就 会 失 去 润 滑 作 用 。 ４７２ ２系 统 方 案 及 硬 件 选 型 设 计 图１ 监 测 系 统 总 体 方 案 设 计 ２ １系 统 总 体 方 案 设 计 矿 井 提 升 机 在 线 监 测 系 统 如 图１所 示 ，主 要 包 括 上 位 机 、绞 房 监 控 分 站 、传 感 器 模 块 等 设 备 ， 其 中 上 位 机 与 监 控 分 站 通 过 工 业 以 太 网 的 方 式 实 现 信 息 传 输 。传 感 器 模 块 包 括 润 滑 系 统 温 度 传 感 器 、 主 轴 振 动 传 感 器 、闸 瓦 间 隙 传 感 器 、液 压 系 统 压 力 传 感 器 、液 压 系 统 温 度 传 感 器 。上 位 机 是 整 个 系 统 的 监 控 大 脑 ，负 责 实 时 监 测 与 查 看 提 升 机 的 运 行 数 据 ，进 行 参 数 设 置 与 管 理 等 工 作 。监 控 分 站 通 过 计 算 分 析 传 感 器 采 集 到 的 数 值 ，根 据 预 设 阙 值 比 较 ，判 断 运 行 过 程 是 否 发 生 故 障 ，并 通 过 报 警 器 报 警 等 。 ２ ２ ＰＬＣ控 制 柜 的 选 型 设 计 ＰＬＣ控 制 器 作 为 一 种 工 业 控 制 器 ，具 有 工 作 可 靠 稳 定 的 优 点 ，常 被 用 于 环 境 复 杂 ，自 动 化 程 度 高 的 工 业 控 制 领 域 。 本 文 根 据 系 统Ｉ／ Ｏ口 的 需 求 数 与 控 制 要 求 ，选 用 西 门 子 公 司 生 产 的Ｓ７－２００系 列ＰＬＣ控 制 器 ，具 体 型 号 为ＣＰＵ２２６，处 理 器 自 带２４位 输 入 输 出 接 口 和７个 扩 展 模 块 ，可 满 足 监 测 系 统 的 数 据 与 功 能 要 求 ［７］。 本 文 所 设 计 的ＰＬＣ控 制 柜 的 硬 件 结 构 如 图２所 示 ，主 要 由 电 源 部 分 、中 央 处 理 器 、输 入 输 出 单 元 、存 储 单 元 、外 设Ｉ／ Ｏ接 口 与 扩 展 接 口 等 。中 央 处 理 器 即ＣＰＵ部 分 ，包 括 运 算 器 与 控 制 器 ，是 整 个 控 制 柜 的 核 心 部 分 ，主 要 负 责 下 载 并 运 行 软 件 中 编 译 好 的 程 序 ，并 将 结 果 输 送 给 输 出 单 元 。存 储 器 包 括ＲＰＲＯＭ与 ＲＡＭ，分 别 存 放 系 统 程 序 与 用 户 程 序 。输 入 输 出 单 元 分 别 负 责 采 集 提 升 机 的 运 行 状 况 与 向 外 部 设 备 输 出 处 理 结 果 。电 源 部 分 可 以 满 足２２０ Ｖ交 流 与２４ Ｖ直 流 的 供 电 需 求 。外 设Ｉ／ Ｏ接 口 连 接 的 设 备 主 要 有 编 程 器 、打 印 机 、上 位 机 与 变 送 器 。 图２ ＰＬＣ控 制 柜 硬 件 结 构 图 ２ ３传 感 器 模 块 选 型 设 计 传 感 器 是 测 量 提 升 机 运 行 参 数 的 装 置 ，在 对 各 传 感 器 选 型 时 应 当 充 分 考 虑 应 用 场 景 与 数 据 测 量 范 围 。主 轴 振 动 传 感 器 选 用ＹＤ９８１０一 体 化 传 感 器 ，可 同 时 监 测 主 轴 径 向Ｘ位 移 量 与Ｙ位 移 量 ，工 作 温 度 为－２０～６０℃之 间 ，测 量 误 差 在８ ｍｍ以 下 。闸 瓦 间 隙 传 感 器 选 用 中 矿 科 汇 公 司 生 产 的ＺＷＹ－８接 触 式 传 感 器 ，测 量 范 围 为０～８ ｍｍ，测 试 误 差 小 于０５％，而 提 升 机 正 常 运 行 下 ，闸 瓦 缝 隙 小 于２ ｍｍ，所 以 该 传 感 器 满 足 测 量 要 求 。 液 压 系 统 在 正 常 工 作 情 况 下 油 压 范 围 在０ ～５ ＭＰａ之 间 ， 工 作 温 度１０ ～５０ ℃，选 用ＭＰＴ２３０压 力 传 感 器 测 量 油 压 信 号 ， 该 装 置 工 作 温 度－３０－９０ ℃，可 将 不 同 的 压 力 信 号 转 换 为 对 应 的 电 流 信 号 。润 滑 系 统 与 液 压 系 统 的 工 作 油 温 为１０ ～５０ ℃， 选 用 数 显 温 度 传 感 器ＬＦＪ－ＷＺＰＳＸ，具 有 精 度 高 、耐 腐 蚀 和 抗 干 扰 的 优 点 ，测 温 范 围 为－２５～８５ ℃，基 本 误 差 在０ １％ＦＳ。 图３ 系 统 主 程 序 流 程 图 设 计 ３监 测 系 统 软 件 设 计 设 计 的 监 测 系 统 主 要 完 成 数 据 的 采 集 与 故 障 诊 断 与 预 警 功 能 ，其 中 系 统 的 软 件 程 序 通 过ＳＴＥＰ７－ Ｍｉｃｒｏ软 件 进 行 编 译 ，可 同 时 支 持ＳＴＬ、ＬＡＤ与ＦＢＤ 三 种 语 言 编 程 ，具 有 界 面 简 单 、集 成 度 高 的 优 点 。 系 统 主 程 序 流 程 图 如 图３ 所 示 。在 系 统 运 行 前 ，通 过 键 盘 输 入 各 类 型 信 号 的 预 警 值 与 报 警 值 。在 初 始 化 后 ，通 过 传 感 器 采 集 各 运 行 参 数 ， 分 别 于 预 警 值 于 报 警 值 进 行 比 较 ，当 小 于 预 警 值 时 ，表 示 提 升 机 正 常 工 作 ；当 大 于 或 等 于 预 警 值 ，小 于 报 警 值 时 ，系 统 预 警 提 示 提 升 机 存 在 发 生 故 障 的 风 险 ；当 大 于 或 等 于 报 警 值 时 ，表 明 提 升 机 发 生 故 障 ，系 统 应 当 立 即 报 警 ，并 停 机 维 修 。 ４结 束 语 本 文 设 计 了 一 种 基 于ＰＬＣ控 制 器 的 矿 井 提 升 机 在 线 监 测 系 统 ，通 过 各 信 息 采 集 模 块 ，实 时 监 测 石 岩 庄 煤 矿 提 升 机 的 运 行 状 态 ，进 行 故 障 诊 断 。系 统 程 序 中 设 有 预 警 值 与 报 警 值 ２个 阙 值 ，具 有 一 定 的 故 障 预 警 功 能 ，可 有 效 避 免 提 升 机 安 全 事 故 的 发 生 。 参 考 文 献 ［１］程 广 振，陶 建 平，武 元 乙．用ＣＤＭＳ系 统 对 主 井 提 升 机 监 测 诊 断［Ｊ］．工 矿 自 动 化，２０００（２） ２６－２７． ［２］段 楠，刘 杰 辉，王 桂 梅．基 于ＬａｂＶＩＥＷ的 矿 井 提 升 机 监 测 系 统［Ｊ］．矿 山 机 械，２００７（６） ８１－８２． ［３］李 锋，谭 建 平，石 理 想．矿 井 提 升 机 制 动 系 统 运 行 优 化 控 制 研 究［Ｊ］．计 算 机 仿 真，２０１８，３５（５） ２３１－２３４． ［４］刘 芬，孟 淑 琴．矿 井 提 升 机 振 动 监 测 系 统 的 设 计 及 共 故 障 诊 断［Ｊ］．工 矿 自 动 化，２００８（２） １０８－１１０． ［５］王 庆 东，张 令，王 桂 梅．主 井 提 升 机 载 荷 实 时 监 测 系 统 设 计 ［Ｊ］．煤 炭 工 程，２０１０（１０） １５－１６． ［６］乔 国 厚．基 于 振 动 信 号 分 析 的 矿 井 提 升 机 主 轴 装 置 在 线 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 设 计 应 用［Ｊ］．矿 山 机 械，２０１３（１２） ５９－６３． ［７］鲁 守 波，张 国 凯．基 于ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ ＣＶＩ的 矿 井 提 升 机 钢 丝 绳 张 力 监 测 仪 设 计 实 现［Ｊ］．计 算 机 测 量 与 控 制，２０１５（８） ２９２４－２９２７． 作 者 简 介 马 斌 （１９９３－） ，男 ，山 西 大 同 人 ，大 学 本 科 ，助 理 工 程 师 ，研 究 领 域 为 煤 矿 机 电 技 术 。（编 辑 王 智 圣 ） ５７２ 马 斌 矿 井 提 升 机 在 线 监 测 与 故 障 诊 断 系 统 设 计