基于物联网的矿井提升机远程监测与故障诊断系统研究.pdf

1982020 年第 6 期 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 1 孟宪波1 白星振2 （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） 摘 要 针对目前矿井提升机监测系统搭建成本高、数据共享性弱及布线复杂等问题，设计了基于物联网的提升机远程 监测与故障诊断系统。根据物联网、光纤传输及智能数据分析技术，实现了矿井提升机在线监测及故障分析功能，提高了 矿井提升机动态监控能力，提升了提升系统智能管理水平，有利于提高人员利用率，达到减人增效的目的。 关键词 提升设备 物联网 远程控制 人机交互 管控一体 中图分类号 TD633 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.071 Research on Remote Monitoring and Fault Diagnosis System of Mine Hoist Based on Internet of Things Liu Jie1 Meng Xian-bo1 Bai Xing-zhen2 （1.Zibo Mining Group Co., Ltd., Daizhuang Coal Mine, Shandong Jining 272000; 2.School of Electrical and Automation Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590） Abstract Aiming at the problems of high construction cost, weak data sharing and complicated wiring, the remote monitoring and fault diagnosis system of mine hoist based on Internet of things is designed. According to the technology of Internet of things, optical fiber transmission and intelligent data analysis, the on-line monitoring and fault analysis function of mine hoist is realized, and the monitoring ability of mine hoist mobile state is improved, and the intelligent management level of lifting system is improved, which is beneficial to improve the utilization rate of personnel and achieve the purpose of reducing human efficiency and increasing efficiency. Key words lift technique Internet of things telecontrol human-computer interaction control integrated 收稿日期 2019-12-30 作者简介 刘杰（1989-），男，山东淄博市淄川区人，2012 年毕 业于山东科技大学电气工程及其自动化专业，本科，现工作于淄 博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿，工程师，从事煤矿机电管理 技术研究。 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 1992020 年第 6 期 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 2002020 年第 6 期 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。 【参考文献】 ［1］ 李俊杰 . 基于大数据处理技术的提升机制动系统 故障诊断 [D]. 太原理工大学，2019. ［2］ 贾艺栋 . 基于模糊网络原理的矿井提升机故障诊 断技术研究 [J]. 自动化应用，2019（09）96-97. ［3］ 李加昭 . 基于多源参数的提升系统故障诊断及预 测研究 [D]. 中国矿业大学，2018. ［4］ 方晓汾，罗方赞，魏小华 . 基于云计算的矿井 提升机智能故障诊断系统研究 [J]. 矿山机械， 2017，45（04）26-30. ［5］ 吉囡囡 . 煤矿提升机控制系统的研究与改造 [J]. 自动化应用，2019（09）94-95121. ［6］ 贺祥洪，牛晓凯 . 副井提升机远程控制系统设计 [J]. 电子世界，2017（22）179181. 防治水工作服务。 【参考文献】 ［1］ 王平 . 某矿 5204 巷道瞬变电测法探测和防治水工 程研究 [J]. 煤炭科技，2018（03）132-135. ［2］ 魏遂亭 . 瞬变电磁法在井下水文地质探测中的应 （上接第 197 页） 用 [J]. 中州煤炭，2010（01）53-54. ［3］ 张帅 . 直流电法探测在煤矿巷道水害防治中的应 用 [J]. 山东煤炭科技，2018（12）169-170173. ［4］ 常永峰，范创，张勇 . 槽波地震法勘探与无线电 波透视法在倾斜煤层构造探测中应用研究 [J]. 山 东煤炭科技，2019（03）145-147150.