郭華偉 李海鵬

（河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦主井提升為塔式提升系統(tǒng)，提升機為德國西馬格GHH-4×4 型摩擦輪式提升機，主電機為德國西門子公司生產(chǎn)的IDQ6034-6AA10-Z 型內(nèi)裝式他勵交流同步電動機，摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪（也稱天輪，下同）直徑均為4 m。滾筒承載著首尾繩、雙箕斗和提升煤炭的重量，提升變位質(zhì)量32 508 kg，主軸標高+55.65 m；導(dǎo)向輪引導(dǎo)鋼絲繩用于導(dǎo)向，變位質(zhì)量5400 kg，主軸標高+47.15 m。

該礦主井提升系統(tǒng)缺少主電機滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承振動數(shù)據(jù)在線監(jiān)測監(jiān)控，在提升機運行期間需依靠電鉗工現(xiàn)場巡視旋轉(zhuǎn)部位，根據(jù)自身經(jīng)驗去判斷兩端軸承運轉(zhuǎn)狀況，維護人員還需定期打開軸承端蓋檢查內(nèi)部磨損程度。人工巡檢這種傳統(tǒng)方式既浪費了人力物力，又難以保證振動數(shù)據(jù)真實準確及連續(xù)測量，不能實時在線監(jiān)測提升機軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和完成預(yù)警功能，嚴重制約了主井提升系統(tǒng)安全生產(chǎn)[1]。為化解上述風(fēng)險，該礦根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)計、安裝和應(yīng)用在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，實時監(jiān)測軸承運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，有效避免突發(fā)性重大事故的發(fā)生，保障提升系統(tǒng)安全運行。

1 振動在線監(jiān)測的設(shè)計方案

該礦在主井提升機摩擦輪滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承兩端合適位置安裝振動傳感器，用于將軸承振動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有規(guī)律的電流信號；在緊挨滾筒與導(dǎo)向輪之間合適位置安裝一套以西門子S7-200 SMART可編程控制器為核心的數(shù)據(jù)采集箱，用于采集振動傳感器輸出的電流信號；將數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)可編程控制器CPU 以太網(wǎng)端口通過自動化平臺工業(yè)交換機，接入該礦基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)[2]，實現(xiàn)與提升機電控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)上互聯(lián)互通；運用STEP7-Micro/WIN SMART 編程軟件編寫軸承振動數(shù)據(jù)采集及聲光報警控制應(yīng)用程序，來處理振動傳感器采集軸承運行狀態(tài)下的電流信號，轉(zhuǎn)換成實際工程值，經(jīng)基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)傳送到提升機電控系統(tǒng)上位機后，進行數(shù)據(jù)儲存和監(jiān)視[3]；在基于組態(tài)軟件WinCC V7.3的原有監(jiān)控畫面組態(tài)基礎(chǔ)上，增添“陳四樓主井振動監(jiān)控”界面，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)實時顯示及振動幅值過大報警指示功能；在主井提升機電控系統(tǒng)操作臺控制柜中，增添MY4N-J 型繼電器K、LTE-1101J 型旋轉(zhuǎn)式警鈴等電氣元器件，該繼電器線圈吸合及警鈴報警所需的DC24V 電源取自操作臺控制箱中的直流電源模塊，繼電器K 線圈吸合由數(shù)據(jù)采集箱中西門子S7-200 SMART 可編程控制器的輸出端Q0.0 控制，其一對常開輔助觸點再去控制旋轉(zhuǎn)式警鈴的通斷，來實現(xiàn)軸承振動幅值過大時聲光報警功能。利用聲光報警及上位機數(shù)據(jù)顯示功能，實時向提升機司機和工程技術(shù)人員展示滾筒軸承及導(dǎo)向輪軸承運行狀態(tài)，給維護人員提供數(shù)據(jù)支撐與診斷參考，如圖1。

圖1 振動監(jiān)控畫面效果圖

2 振動在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

振動作為機械旋轉(zhuǎn)部位安全運行的重要指標，振動數(shù)據(jù)能直觀地反應(yīng)出旋轉(zhuǎn)部位的運行工況，其數(shù)值通過振動傳感器易于拾取，可在不影響機械安全運轉(zhuǎn)的前提下，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)在線監(jiān)測與潛在故障分析診斷。通過對振動傳感器選型及布設(shè)的研究，確定采集終端性能參數(shù)、安裝位置，確保源頭數(shù)據(jù)精度及準確性；對數(shù)據(jù)采集箱中可編程控制器進行組網(wǎng)和編寫控制程序，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)采集及外部聲光報警功能；對提升機電控系統(tǒng)上位機振動監(jiān)控界面進行組態(tài)及應(yīng)用，實時顯示振動數(shù)據(jù)和振動幅值過大報警指示。

2.1 振動傳感器的選型及布設(shè)

在傳感技術(shù)中，傳感器的功能與品質(zhì)決定了傳感系統(tǒng)獲取自然信源的信息量和信息質(zhì)量，是高品質(zhì)傳感技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)造的第一個關(guān)鍵[4]。為保證振動數(shù)據(jù)測量精度、性能穩(wěn)定以及安裝便捷性[2]，該礦選用二線制磁吸式振動傳感器，型號為KZ9200-20-1。此傳感器與變送器一體化設(shè)計，接線簡單、維護方便，其主要參數(shù)：外部供電為24VDC，振動速度信號量程為0～20 mm/s，輸出電流信號為4～20 mA，安裝方式為水平或垂直。

振動傳感器應(yīng)放置在緊靠軸承和其支撐架接合處，在垂直于軸承軸線同一平面上，沿徑向方向安裝兩只相互垂直的傳感器[5]。該礦在主井提升機摩擦輪滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承兩端，沿垂直于軸線同一平面的水平方向X 和垂直方向Y，分別將上述型號傳感器依靠其自身磁性直接吸附安裝在軸承套指定位置。摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪東西兩軸共計安裝8只振動傳感器。

2.2 振動數(shù)據(jù)采集PLC 的組網(wǎng)及編程

數(shù)據(jù)采集箱中西門子S7-200 SMART 可編程控制器，是由CPU ST20 模塊和兩塊擴展的EM AE08模擬量輸入模塊組成。將安裝在主井提升機摩擦輪滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承東西兩端的8 只二線制振動傳感器依次接入EM AE08 模擬量輸入模塊各端口，從AIW16 起始8 個字的地址，依次對應(yīng)8 路振動信號模擬量輸入，如AIW16 為“天輪東軸振動Y”、AIW18 為“天輪東軸振動X”的輸入地址等。利用RJ45 插頭及雙絞網(wǎng)線將可編程控制器CPU 以太網(wǎng)端口與自動化平臺工業(yè)交換機接口連接起來，接入該礦基于工業(yè)環(huán)網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)。在以太網(wǎng)通信協(xié)議之下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集箱中可編程控制器與提升機電控系統(tǒng)上位機實時通信，通過編程軟件對工控現(xiàn)場進行編程與調(diào)試[6]。

打開提前安裝在主井提升機電控系統(tǒng)上位機中的編程軟件STEP7-Micro/WIN SMART，新建“陳四樓主井振動程序”項目，根據(jù)所選可編程控制器各模塊型號、版本和振動傳感器型號，雙擊項目樹中系統(tǒng)塊圖標進入系統(tǒng)塊設(shè)置窗口，進行硬件組態(tài)，對模擬量輸入模塊EM AE08 設(shè)置各通道類型、范圍等參數(shù)。在程序編寫過程中，通過調(diào)用模擬量轉(zhuǎn)換庫中S_ITR 指令，來處理振動傳感器輸入的電流信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)實際工程值。以第一路模擬量輸入AIW16 為例，分析程序邏輯關(guān)系：其中S_ITR指令使能端EN 前串聯(lián)一個始終接通的特殊寄存器SM0.0，確保程序每次掃描時執(zhí)行該條指令；Input為模擬量輸入通道，輸入需要轉(zhuǎn)換的數(shù)值，即模擬量輸入地址AIW16“天輪東軸振動Y”；ISL、ISH 為可編程控制器運算的模擬量最小值5530 與最大值27 648，對應(yīng)振動傳感器輸出電流信號4～20 mA；OSL、OSH 為實際工程值最小值0 與最大值20，對應(yīng)振動傳感器振動速度信號量程0～20 mm/s；Output 為S_ITR 指令轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場實測值，存放在寄存器VD0 中。

根據(jù)該礦主井提升機實際運行工況，設(shè)定摩擦輪滾筒及導(dǎo)向輪軸承振動速度過大故障報警閾值為3.0 mm/s，在編程過程中調(diào)用操作數(shù)為實數(shù)的比較指令︱≥R︱，讓現(xiàn)場軸承振動實測值VD0等與故障報警閾值3.0 mm/s 作比較[7]。當實測值VD0 ≥3.0 時，置位V100.0，此時V100.0 作為提升系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面第一路振動數(shù)據(jù)幅值過大報警的當前過程值，用于畫面組態(tài)；同時V100.0 與其余振動通道V100.x 等常開點并聯(lián)后接輸出線圈Q0.0，實現(xiàn)8 路振動監(jiān)測任何1 路或多路實測值大于故障報警閾值時，都能使輸出線圈Q0.0 得電輸出為1，以此作為外部聲光報警信號控制單元，使安裝在提升機操作臺控制柜中的繼電器K 線圈得電吸合，進而控制旋轉(zhuǎn)式警鈴的電源通斷，實現(xiàn)軸承振動幅值過大時聲光報警功能。程序編寫完畢后，依次單擊編程軟件工具欄中的“保存”、“下載”圖標，系統(tǒng)將把硬件組態(tài)和程序下載至可編程控制器中。

2.3 上位機振動監(jiān)控界面的組態(tài)及應(yīng)用

安裝在上位機的組態(tài)軟件WinCC V7.3，可在其界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，形成工控所需的監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面及實時趨勢曲線等[8]，為提升機司機和維護人員提供形象直觀的操作環(huán)境，提高了工作效率。在該礦原有的“陳四樓煤礦主井提升監(jiān)控系統(tǒng)”組態(tài)基礎(chǔ)上，新建一個名稱為“陳四樓主井振動監(jiān)控”的監(jiān)控畫面，通過對該畫面組態(tài)，實現(xiàn)實時監(jiān)視滾筒軸承、導(dǎo)向輪軸承運行狀態(tài)。組態(tài)過程如下：

組態(tài)軟件WinCC 中沒有與S7-200 SMART CPU 通信的驅(qū)動，兩者需靠OPC 協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。PC Access SMART 是西門子公司為S7-200 系列PLC 開發(fā)的OPC 軟件，通過此軟件可以讀取S7-200 SMART 可編程控制器程序中的變量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控功能或進行數(shù)據(jù)存檔管理[9]。在該礦主井提升機電控系統(tǒng)上位機中安裝此軟件，依次設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)接口卡、條目屬性等參數(shù)后，將數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)S7-200 SMART 可編程控制器程序中有符號名如“天輪東軸振動X”、“天輪東軸振動X 報警”等所有變量，導(dǎo)入到此軟件中。

在 組 態(tài) 軟 件WinCC 與S7-200 PC Access SMART 軟件之間建立OPC 通信連接：啟動安裝在該礦主井提升機電控系統(tǒng)上位機的組態(tài)軟件WinCC后，右鍵單擊左側(cè)瀏覽窗口中的“變量管理”，打開“WinCC Configuratiao Studio”對話框，在此窗口中右鍵單擊“變量管理”，在打開的快捷菜單中選擇“添加新的驅(qū)動程序”，添加“OPC”驅(qū)動；右鍵單擊“OPC Groups”后點擊“系統(tǒng)參數(shù)”，在“OPC 條目管理器”對話框中選擇“OPC.SimaticNET.1”，點擊窗口中“瀏覽服務(wù)器”進行搜索并添加變量連接條目，將其命名為“振動監(jiān)視”；在變量列表中點擊“添加條目”按鈕，添加“天輪東軸振動X”、“天輪東軸振動X 報警”等變量后，即可自動建立連接。

右擊組態(tài)軟件WinCC 資源管理器中圖形編輯器，單擊“新建畫面”菜單項，創(chuàng)建并重命名為“振動監(jiān)視.pdl”的一個過程畫面。在此畫面中添加“天輪東軸振動X”等靜態(tài)文本，在各文本后面插入一個能顯示振動實際值的“輸入/輸出域”和振動幅值過大故障指示的“矩形”。當軸承振動實際值大于設(shè)定的故障報警閾值（3.0 mm/s）后，振動幅值過大故障指示的“矩形”由綠色變成紅色。鼠標右擊“天輪東軸振動X”靜態(tài)文本后面的“輸入/輸出域”，依次單擊快捷菜單中“鏈接”、 “變量連接”，打開“變量連接的鏈接”對話框，右擊左側(cè)“天輪東軸振動X”文字后，在下一個對話框中選擇天輪東軸振動X 對應(yīng)的變量鏈接，點擊“確定”完成組態(tài)，如圖2 所示。同理組態(tài)其他變量后，依次單擊工具欄上的保存、激活圖標按鈕，WinCC 即可運行優(yōu)化的監(jiān)控畫面[10]。

圖2 上位機WinCC 監(jiān)控畫面的組態(tài)

3 效果分析

1）經(jīng)濟效益。應(yīng)用軸承振動在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)提升機運行狀態(tài)下提前預(yù)警和診斷，降低軸承故障概率，減少生產(chǎn)影響時間，為礦井高效生產(chǎn)提供強有力保障；同時檢修人員及時有效維護，確保滾筒及導(dǎo)向輪軸承在良好工況下運轉(zhuǎn)，增加其使用壽命，節(jié)省維修成本，最大限度減少人力、物力投入，具有一定經(jīng)濟效益。

2）安全及社會效益。提升機滾筒及導(dǎo)向輪軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和應(yīng)用，能夠?qū)崟r監(jiān)測軸承運行狀態(tài)，有利于技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，大大降低礦井安全風(fēng)險，避免突發(fā)性重大事故發(fā)生，保障提升系統(tǒng)安全可靠運行，給煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)帶來良好的社會效益。

4 結(jié)語

通過對陳四樓煤礦主井提升機滾筒、導(dǎo)向輪軸承振動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究及數(shù)據(jù)分析，完善了提升機在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)完備的顯示及報警功能，實時向提升機司機和工程技術(shù)人員展現(xiàn)滾筒、導(dǎo)向輪軸承運行狀態(tài)，給主軸承維護提供數(shù)據(jù)支撐與診斷參考。實踐證明，振動監(jiān)測技術(shù)在提升系統(tǒng)中應(yīng)用，有利于維保人員及時發(fā)現(xiàn)提升機主軸承故障隱患，能夠遏制重大事故發(fā)生，確保提升系統(tǒng)安全有序運行。