多绳摩擦式提升机天轮智能监测系统研究及应用

张光辉

（晋能控股煤业集团沁秀公司， 山西 晋城 048006）

引言

近10 年来，随着国家对煤炭资源需求量的迅猛增加和煤矿企业产能的持续扩张，多绳摩擦式提升机因提升速度快、提升载荷大、提升效率高和安全可靠性高等突出优点，在大中型矿井中得到广泛应用[1]。研发多绳摩擦式提升机天轮智能监测系统，能够实现天轮运行参数、运行工况的实时在线监测、远程控制和故障报警，提升系统安全可靠性。

1 岳城煤矿运行概况

岳城煤矿为沁秀公司下属生产矿井，现运输副井安装JKM-2.25×4 型多绳摩擦式提升机，为保证运输系统可靠，需定期对天轮进行维护保养。目前，天轮维护主要靠人工手动作业，对其整体运行状况和轴承运转状况进行检查。一方面人工登高作业效率低危险较大，另一方面维护检修期间会造成副井提升工作停运，影响矿井正常运行。因此，非常有必要研发一种天轮智能监测系统，实时在线监测天轮的运行参数（轮辐偏摆、振动、轴承温度）和运行工况，实现天轮主轴轴承远程自动化定量润滑维护。

2 研究方案

系统整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构图

2.1 系统硬件设计

2.1.1 传感器集成化安装单元设计

研发一种传感器集成化安装单元，在该安装单元上集成化设置了各监测传感器的安装位置（包括轴向振动传感器、水平径向振动传感器、垂直径向振动传感器、轴承温度传感器）。将传感器集成化安装单元替换现有的轴承端盖，即可保证各监测传感器的便捷、可靠安装，如图2 所示。

图2 传感器集成化安装单元安装布置图

在该安装单元上设有注油孔和泄油孔，为天轮主轴轴承自动化定量润滑维护的实现奠定了基础。传感器集成化安装单元采用整块45 号钢板加工制作，表面采用热镀锌长效防腐处理，美观耐腐[2]。每个传感器集成化安装单元外侧，均装设有安全防护罩，抗外物冲击，防雨雪侵蚀，确保各监测传感器运行稳定、可靠。

2.1.2 天轮轴承自动化注油润滑维护设计

为实现天轮主轴轴承自动化注油润滑维护，在高、低位天轮平台处，各设置1 台高可靠性自动注油机，如下页图3 所示。

图3 中，注油机通过双路输出的双层钢丝网高压胶管，与天轮左右轴端的传感器集成化安装单元上的注油孔连接，连接方式采用螺纹连接并配合O型圈密封。通过位于注油机处的电控箱和绞车房液晶显示终端（注油机液位显示及远程控制模块），实现天轮主轴轴承自动化定量润滑维护的近程控制和远程控制。

图3 高可靠性自动注油机

2.2 系统软件设计

2.2.1 PLC 控制主站设计

在绞车房控制室装设一套绞车房PLC 控制主站。绞车房PLC 控制主站安装在主站机柜内。绞车房PLC 控制主站集成光纤以太网交换机、继电器控制板、语音报警等功能模块，实现监测数据和视频的接收和传输，并实现安全控制输出和语音报警控制输出[3]。绞车房PLC 控制主站设计结构与分站设计基本相同。

2.2.2 PLC 数据采集控制分站设计

在低位天轮平台装设1 套PLC 数据采集控制分站，控制分站集成光纤以太网交换机。分站将各传感器采集的监测数据和摄像仪采集的工况视频，通过光纤以太网通信系统传输至绞车房控制室的绞车房PLC 控制主站。PLC 数据采集控制分站设计结构如图4 所示。

图4 PLC 数据采集控制分站设计结构

如图，模块1PLC 数据采集控制分站主控制器，CPU 采用西门子S7-200 系列中的CPU226，实现各传感器监测数据的采集、分析、处理，实现对高、低位天轮平台高可靠型自动注油机的状态监测和控制输出。模块2、模块3、模块5、模块6、模块7、模块8 均为西门子模拟量采集模块EM231，负责采集高位、低位两平台天轮各个方面轴向振动、径向振动、轴承温度传感器监测数据，采集信号类型为4～20 mA 电流信号，采集精度为12 位。模块4 为开关电源，为PLC数据采集控制分站提供控制电源，输入AC100～240 V，输出DC24 V/6 A，同时具有过压、过流、短路等保护功能。模块9 为西门子S7-200 PLC 用以太网转换器，主要将西门子S7-200 的PPI 协议转换为西门子的Profinet 协议（TCP/IP），使西门子S7-200 可以通过以太网与上位机wincc 组态软件实现远距离、高速度通讯，并可以同时连接Step7-MicroWin 对西门子S7-200 进行编程，还可以通过Internet 实现跨地域数据传送。模块10 为以太网交换机和以太网光纤交换机提供电源，模块11 空气断路器用来实现PLC数据采集控制分站输入电源的通断控制，模块12 变压器输入AC380 V，输出AC220 V 作为PLC 数据采集控制分站的工作电源。输入的AC380 V 电源，与绞车房PLC 控制主站电源及高可靠型自动注油机电源为同一路电源。模块13 以太网交换机实现各摄像仪采集的视频信号的集中接入。模块14 以太网光纤交换机将PLC 采集的监测数据和摄像仪采集的视频，经过以太网光纤交换机转换为光信号，并经光纤传输至绞车房PLC 控制主站。模块15 继电器控制板实现高、低位天轮平台处的高可靠性自动注油机的起停控制。

2.3 监控界面

监控界面主要包括三个功能模块：运行参数监测显示预警模块、注油机液位显示及远程控制模块、界面切换模块，分别实现在线工况监测、状态显示和远程注油等实时操作。

3 工业性试验

多绳摩擦式提升机天轮在线监测系统于2019年11 月安装调试完毕，2019 年12 月至2020 年4月，进行了为期5 个月的试运行工业性试验，该系统符合煤矿提升系统安全运行实际需求，系统运行状况良好，监测性能稳定可靠，润滑维护便捷，故障报警及时准确，满足矿方要求。

4 结论

多绳摩擦式提升机天轮在线监测技术，实现了多绳摩擦式提升机天轮运行工况的远程实时在线监测和自动化定量润滑维护，可提前发现天轮运行的各类运行故障并预警，颠覆了多绳摩擦式提升机天轮传统的人工定期巡检维护方式，填补了国内在这一领域的技术空白，既可应用于多绳摩擦式提升机天轮，又可应用于单绳缠绕式提升机天轮，具有巨大的推广前景。