振动监测技术在煤矿提升系统中的应用研究

郭华伟 李海鹏

（河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

陈四楼煤矿主井提升为塔式提升系统，提升机为德国西马格GHH-4×4 型摩擦轮式提升机，主电机为德国西门子公司生产的IDQ6034-6AA10-Z 型内装式他励交流同步电动机，摩擦轮滚筒及导向轮（也称天轮，下同）直径均为4 m。滚筒承载着首尾绳、双箕斗和提升煤炭的重量，提升变位质量32 508 kg，主轴标高+55.65 m；导向轮引导钢丝绳用于导向，变位质量5400 kg，主轴标高+47.15 m。

该矿主井提升系统缺少主电机滚筒轴承及导向轮轴承振动数据在线监测监控，在提升机运行期间需依靠电钳工现场巡视旋转部位，根据自身经验去判断两端轴承运转状况，维护人员还需定期打开轴承端盖检查内部磨损程度。人工巡检这种传统方式既浪费了人力物力，又难以保证振动数据真实准确及连续测量，不能实时在线监测提升机轴承的运转状态和完成预警功能，严重制约了主井提升系统安全生产[1]。为化解上述风险，该矿根据现场实际情况设计、安装和应用在线振动监测系统，实现连续监测，实时监测轴承运行状态，及时发现故障隐患，有效避免突发性重大事故的发生，保障提升系统安全运行。

1 振动在线监测的设计方案

该矿在主井提升机摩擦轮滚筒轴承及导向轮轴承两端合适位置安装振动传感器，用于将轴承振动数据转化为有规律的电流信号；在紧挨滚筒与导向轮之间合适位置安装一套以西门子S7-200 SMART可编程控制器为核心的数据采集箱，用于采集振动传感器输出的电流信号；将数据采集箱内可编程控制器CPU 以太网端口通过自动化平台工业交换机，接入该矿基于工业环网的综合自动化系统[2]，实现与提升机电控系统在数据上互联互通；运用STEP7-Micro/WIN SMART 编程软件编写轴承振动数据采集及声光报警控制应用程序，来处理振动传感器采集轴承运行状态下的电流信号，转换成实际工程值，经基于工业环网的综合自动化系统传送到提升机电控系统上位机后，进行数据储存和监视[3]；在基于组态软件WinCC V7.3的原有监控画面组态基础上，增添“陈四楼主井振动监控”界面，实现振动数据实时显示及振动幅值过大报警指示功能；在主井提升机电控系统操作台控制柜中，增添MY4N-J 型继电器K、LTE-1101J 型旋转式警铃等电气元器件，该继电器线圈吸合及警铃报警所需的DC24V 电源取自操作台控制箱中的直流电源模块，继电器K 线圈吸合由数据采集箱中西门子S7-200 SMART 可编程控制器的输出端Q0.0 控制，其一对常开辅助触点再去控制旋转式警铃的通断，来实现轴承振动幅值过大时声光报警功能。利用声光报警及上位机数据显示功能，实时向提升机司机和工程技术人员展示滚筒轴承及导向轮轴承运行状态，给维护人员提供数据支撑与诊断参考，如图1。

图1 振动监控画面效果图

2 振动在线监测系统的构建

振动作为机械旋转部位安全运行的重要指标，振动数据能直观地反应出旋转部位的运行工况，其数值通过振动传感器易于拾取，可在不影响机械安全运转的前提下，实现振动数据在线监测与潜在故障分析诊断。通过对振动传感器选型及布设的研究，确定采集终端性能参数、安装位置，确保源头数据精度及准确性；对数据采集箱中可编程控制器进行组网和编写控制程序，实现振动数据采集及外部声光报警功能；对提升机电控系统上位机振动监控界面进行组态及应用，实时显示振动数据和振动幅值过大报警指示。

2.1 振动传感器的选型及布设

在传感技术中，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信源的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统构造的第一个关键[4]。为保证振动数据测量精度、性能稳定以及安装便捷性[2]，该矿选用二线制磁吸式振动传感器，型号为KZ9200-20-1。此传感器与变送器一体化设计，接线简单、维护方便，其主要参数：外部供电为24VDC，振动速度信号量程为0～20 mm/s，输出电流信号为4～20 mA，安装方式为水平或垂直。

振动传感器应放置在紧靠轴承和其支撑架接合处，在垂直于轴承轴线同一平面上，沿径向方向安装两只相互垂直的传感器[5]。该矿在主井提升机摩擦轮滚筒轴承、导向轮轴承两端，沿垂直于轴线同一平面的水平方向X 和垂直方向Y，分别将上述型号传感器依靠其自身磁性直接吸附安装在轴承套指定位置。摩擦轮滚筒及导向轮东西两轴共计安装8只振动传感器。

2.2 振动数据采集PLC 的组网及编程

数据采集箱中西门子S7-200 SMART 可编程控制器，是由CPU ST20 模块和两块扩展的EM AE08模拟量输入模块组成。将安装在主井提升机摩擦轮滚筒轴承、导向轮轴承东西两端的8 只二线制振动传感器依次接入EM AE08 模拟量输入模块各端口，从AIW16 起始8 个字的地址，依次对应8 路振动信号模拟量输入，如AIW16 为“天轮东轴振动Y”、AIW18 为“天轮东轴振动X”的输入地址等。利用RJ45 插头及双绞网线将可编程控制器CPU 以太网端口与自动化平台工业交换机接口连接起来，接入该矿基于工业环网的综合自动化系统。在以太网通信协议之下，实现数据采集箱中可编程控制器与提升机电控系统上位机实时通信，通过编程软件对工控现场进行编程与调试[6]。

打开提前安装在主井提升机电控系统上位机中的编程软件STEP7-Micro/WIN SMART，新建“陈四楼主井振动程序”项目，根据所选可编程控制器各模块型号、版本和振动传感器型号，双击项目树中系统块图标进入系统块设置窗口，进行硬件组态，对模拟量输入模块EM AE08 设置各通道类型、范围等参数。在程序编写过程中，通过调用模拟量转换库中S_ITR 指令，来处理振动传感器输入的电流信号，转换成相应实际工程值。以第一路模拟量输入AIW16 为例，分析程序逻辑关系：其中S_ITR指令使能端EN 前串联一个始终接通的特殊寄存器SM0.0，确保程序每次扫描时执行该条指令；Input为模拟量输入通道，输入需要转换的数值，即模拟量输入地址AIW16“天轮东轴振动Y”；ISL、ISH 为可编程控制器运算的模拟量最小值5530 与最大值27 648，对应振动传感器输出电流信号4～20 mA；OSL、OSH 为实际工程值最小值0 与最大值20，对应振动传感器振动速度信号量程0～20 mm/s；Output 为S_ITR 指令转换的现场实测值，存放在寄存器VD0 中。

根据该矿主井提升机实际运行工况，设定摩擦轮滚筒及导向轮轴承振动速度过大故障报警阈值为3.0 mm/s，在编程过程中调用操作数为实数的比较指令︱≥R︱，让现场轴承振动实测值VD0等与故障报警阈值3.0 mm/s 作比较[7]。当实测值VD0 ≥3.0 时，置位V100.0，此时V100.0 作为提升系统上位机监控界面第一路振动数据幅值过大报警的当前过程值，用于画面组态；同时V100.0 与其余振动通道V100.x 等常开点并联后接输出线圈Q0.0，实现8 路振动监测任何1 路或多路实测值大于故障报警阈值时，都能使输出线圈Q0.0 得电输出为1，以此作为外部声光报警信号控制单元，使安装在提升机操作台控制柜中的继电器K 线圈得电吸合，进而控制旋转式警铃的电源通断，实现轴承振动幅值过大时声光报警功能。程序编写完毕后，依次单击编程软件工具栏中的“保存”、“下载”图标，系统将把硬件组态和程序下载至可编程控制器中。

2.3 上位机振动监控界面的组态及应用

安装在上位机的组态软件WinCC V7.3，可在其界面下进行组态、编程和数据管理，形成工控所需的监视画面、控制画面、报警画面及实时趋势曲线等[8]，为提升机司机和维护人员提供形象直观的操作环境，提高了工作效率。在该矿原有的“陈四楼煤矿主井提升监控系统”组态基础上，新建一个名称为“陈四楼主井振动监控”的监控画面，通过对该画面组态，实现实时监视滚筒轴承、导向轮轴承运行状态。组态过程如下：

组态软件WinCC 中没有与S7-200 SMART CPU 通信的驱动，两者需靠OPC 协议进行数据交互。PC Access SMART 是西门子公司为S7-200 系列PLC 开发的OPC 软件，通过此软件可以读取S7-200 SMART 可编程控制器程序中的变量数据，实现设备监控功能或进行数据存档管理[9]。在该矿主井提升机电控系统上位机中安装此软件，依次设置其网络接口卡、条目属性等参数后，将数据采集箱内S7-200 SMART 可编程控制器程序中有符号名如“天轮东轴振动X”、“天轮东轴振动X 报警”等所有变量，导入到此软件中。

在 组 态 软 件WinCC 与S7-200 PC Access SMART 软件之间建立OPC 通信连接：启动安装在该矿主井提升机电控系统上位机的组态软件WinCC后，右键单击左侧浏览窗口中的“变量管理”，打开“WinCC Configuratiao Studio”对话框，在此窗口中右键单击“变量管理”，在打开的快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”，添加“OPC”驱动；右键单击“OPC Groups”后点击“系统参数”，在“OPC 条目管理器”对话框中选择“OPC.SimaticNET.1”，点击窗口中“浏览服务器”进行搜索并添加变量连接条目，将其命名为“振动监视”；在变量列表中点击“添加条目”按钮，添加“天轮东轴振动X”、“天轮东轴振动X 报警”等变量后，即可自动建立连接。

右击组态软件WinCC 资源管理器中图形编辑器，单击“新建画面”菜单项，创建并重命名为“振动监视.pdl”的一个过程画面。在此画面中添加“天轮东轴振动X”等静态文本，在各文本后面插入一个能显示振动实际值的“输入/输出域”和振动幅值过大故障指示的“矩形”。当轴承振动实际值大于设定的故障报警阈值（3.0 mm/s）后，振动幅值过大故障指示的“矩形”由绿色变成红色。鼠标右击“天轮东轴振动X”静态文本后面的“输入/输出域”，依次单击快捷菜单中“链接”、 “变量连接”，打开“变量连接的链接”对话框，右击左侧“天轮东轴振动X”文字后，在下一个对话框中选择天轮东轴振动X 对应的变量链接，点击“确定”完成组态，如图2 所示。同理组态其他变量后，依次单击工具栏上的保存、激活图标按钮，WinCC 即可运行优化的监控画面[10]。

图2 上位机WinCC 监控画面的组态

3 效果分析

1）经济效益。应用轴承振动在线监测技术，实现提升机运行状态下提前预警和诊断，降低轴承故障概率，减少生产影响时间，为矿井高效生产提供强有力保障；同时检修人员及时有效维护，确保滚筒及导向轮轴承在良好工况下运转，增加其使用寿命，节省维修成本，最大限度减少人力、物力投入，具有一定经济效益。

2）安全及社会效益。提升机滚筒及导向轮轴承在线监测系统的设计、安装和应用，能够实时监测轴承运行状态，有利于技术人员及时发现安全隐患，大大降低矿井安全风险，避免突发性重大事故发生，保障提升系统安全可靠运行，给煤矿企业安全生产带来良好的社会效益。

4 结语

通过对陈四楼煤矿主井提升机滚筒、导向轮轴承振动监测技术的应用研究及数据分析，完善了提升机在线监测系统，实现完备的显示及报警功能，实时向提升机司机和工程技术人员展现滚筒、导向轮轴承运行状态，给主轴承维护提供数据支撑与诊断参考。实践证明，振动监测技术在提升系统中应用，有利于维保人员及时发现提升机主轴承故障隐患，能够遏制重大事故发生，确保提升系统安全有序运行。