基于物联网的矿井提升机远程监测与故障诊断系统研究

刘 杰 孟宪波 白星振

（1. 淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿，山东 济宁 272000；2. 山东科技大学电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590）

1 引言

目前提升机的运行环境比较恶劣，提升设备的自动化程度有限，其启停、控制都是由现场工作人员实时操作，难免会出现失误，导致提升机发生安全事故[1]。另外，由于提升设备型号多且结构系统复杂，其故障发生后的快速诊断及排除工作面临着各种困难[2]。所以，设计一个有效的监测系统来保证提升机运行的安全和稳定显得尤为重要。本系统结合先进的网络技术、信息技术和自动化技术的优势，进行物联网架构的矿井提升设备远程工况监测与故障诊断系统的设计，提高提升运行工况实时监控及故障的诊断能力。

2 矿井提升机监测系统设计

2.1 系统架构设计

矿井提升设备远程监测系统主要由信息测量模块、网络传输模块、远程控制平台、视频监视系统等组成，系统组成架构如图1 所示。现场量测模块由各类矿用传感器和矿用摄像头组成，在实际运行过程中，所需要的提升机的运行数据和控制柜的控制状态数据可通过量测模块获得。采集到的数据经过网络传输模块传输到远程控制端，网络传输模块主要由光纤、光纤收发器和交换机组成，传输过程中采用DP 通讯，提高了数据的传输速率，降低了通讯故障。远程控制端由远程控制平台和视频监视系统组成，远程控制平台是对传输过来的数据进行处理和分析之后，将提升机的运行状态、故障信息通过光纤反馈给现场控制柜，使工作人员在集控室内便可对提升机的故障进行判断和处理。视频监视系统通过光纤将矿用摄像头与位于副井绞车房的视频监视器相连，监控人员可以清楚地通过监视器监视主井现场设备情况。另外，现场操作的每套提升机上都对应着一台上位计算机，用来分别显示各自提升机的运行状态和重要参数。

图1 监测系统架构

2.2 系统功能设计

本提升机远程监控系统在充分利用已有就地操作平台的基础上，基于光纤环网、海量数据存储、数据分析及动态信息服务等技术，主要实现以下功能：

（1）数据信息的采集及存储；

（2）基于光纤冗余的可靠传输；

（3）远程人-机交互，实时监视、语音提示及控制；

（4）多角度、全方位视频监控；

（5）远程故障诊断和故障辅助排查。

3 数据处理技术及故障诊断

3.1 数据处理技术

数据处理包含三部分内容，分别是数据采集与整合、数据存储、数据处理和分析。数据处理框图如图2 所示，具体的模块可如下描述。

（1）数据采集模块。数据采集模块由各类矿用传感器和矿用摄像头等部分组成，可采集数据的来源主要是提升机的运行数据和控制柜的控制状态等数据[1]。

（2）数据存储模块。通过对数据库进行筛选和整合，可以很好地满足数据海量、多样化和低成本的存储要求，并且能够将适合分析的数据筛选整合出来。

（3）数据处理和分析模块：数据处理主要是指远程操作站对数据采集模块采集的信息进行处理，运用大数据技术、信息融合技术、机器学习算法，对提升机运行状态进行分析。

图2 数据处理框图

3.2 故障诊断

在故障诊断及维护方面，本论文基于提升机大数据，利用多类型的传感器进行了信息融合，通过对提升机的运行工矿信息、在线监测数据进行分析，构建出了一种在线的提升机故障诊断模型。在煤矿的实际生产过程中，由传感器采集到的数据往往存在着数据量大、数据冗余、缺乏时效性等缺点，所以不能直接使用[3]。针对此类问题，本文采用了机器学习算法对数据进行了预处理，针对故障数据中存在的缺失值、连续值进行处理，使数据更加稳定，提升了故障诊断的精度。

另外，根据以往的经验，现场的维护人员对提升机的故障描述具有差异性，采用远程电话进行指导有时候不能很好地解决问题。当提升机发生故障时，专业技术人员通常不能及时赶赴现场进行处理。针对这一问题，此次设计安装了远程诊断软件及服务终端，经Internet 与控制厂家远程服务中心连接，实时采集监控提升机系统控制系统PLC 程序、实现故障诊断和程序修改、上传和下载，第一时间在线解决现场设备故障，并依据云数据分析现场设备[4]，为用户提供周期保养建议。

4 系统实现

本文根据预期实现的各种功能，设计了如图3所示的系统主控界面图。系统的主界面主要负责显示当前提升机的运行状态、电机运行参数、提升机的电气参数、煤仓参数等系统实时参数信息。

图3 系统的主控界面图

系统操作界面左侧设有安全回路、报警记录、历史曲线、保护测试、闸盘检测五个按钮，点击对应的按钮可以跳转到对应的界面。安全回路的设计主要是用来确保系统安全可靠的运行，当发生整流柜故障、电源欠压故障、尾绳故障等意外情况时，安全回路中对应的继电器会断开。此外，在远程操作站设有紧停按钮，可直接控制安全回路的中断。系统的安全回路设计如图4 所示。

图4 系统的安全回路设计图

报警界面可以查看提升机运行过程中产生的报警信息。报警信息包括报警时间、报警错误类型等信息。历史曲线可以用来查看提升机运行过程中产生的历史信息，保护测试界面可以对提升机的主要保护性能进行测试，闸盘显示界面可以显示各井闸盘间隙的大小和闸盘的工作状态。提升机运行的历史曲线如图5 所示。

图5 历史曲线

5 总结

基于物联网的矿井提升机远程监测与故障诊断系统采用了物联网技术+光纤传输技术+工业DP通讯技术将信息感知、网络传输、数据处理技术融为一体，设计了一套配置主井智能化集中提升系统，解决了目前矿井监测系统存在的布线困难、搭建难度较大等问题[5]，节省了提升设备的检修成本，提高了提升设备运行的安全性和可靠性[6]，实现了对矿井提升系统的无人值守智能控制。