智能化煤矿机电设备状态监控系统研究

智能化煤矿机电设备状态监控系统研究

郭彩华

云南陆东煤矿有限公司

摘要   煤矿机电设备在矿井安全生产过程中不可或缺，在我国的重工业生产中有着非常重要的位置，为了保障煤矿机电设备的安全、高效、稳定运行，需要设计状态监测系统来精确测量温度、速度和设备精度等关键指标。然而，煤矿井下采掘通常面临着信号弱、干扰严重、数据信息难以准确传输等困扰，导致煤矿智能机电设备状况无法准确及时地传输到地面。因此，本文深入分析了智能化煤矿机电设备状态监控系统。

关键词  智能化煤矿；机电设备；状态监控系统

引言

煤矿井下开采区域内安设了各类机电设备，导致空间拥挤。从而会出现高温、表面粉尘堆积和有毒有害气体超标的问题，这种情况容易引发生产过程中的安全事故。为了提升井下开采的安全水平，一些煤矿采用了智能监控装置，使用先进技术、设备，提高矿山设备使用安全性能，减少作业现场工作人员的数量，从而在某种程度上改善了井下安全生产系数。目前，煤矿井下大部分已经实现了自动化、信息化改造，一些矿井已经进入了智能化开采阶段。针对各系统能安全、灵敏、可靠、高效运行，只有在矿井巷道中安装相应的控制辅助设备，才能确保地面控制中心对各机械设备、设施的安全运行进行控制。

一、智能监控系统结构组成

机电设备运行状态智能监控系统结构分为控制层、设备层和监控层。这个智能监控系统中，现有的工业以太网实现了场控层与企业控层之间的关系。工业以太网具有高效的数据传输和快速的速度，能够满足煤矿现场监控的需求。这是当前煤矿最常使用的数据传输方式。工地控制层使用工业以太网监测设备，例如风扇可编程逻辑控制器（PLC）和排水泵PLC，所有PLC都采用DP通信模式。为了提高系统的可靠性，本技术文件基于冗余原理，配备双PLC控制系统。为了满足频繁的通信需求，使用了高可靠性的总线系统结构。主PLC负责控制地下液压支架、破碎机、采煤机和刮板输送机等机电设备。在井下，远程视频监控采用了工业以太网通信。主PLC能够收到各类安全传感器的监测数据，以了解各种机电设备的运行状况。这些传感器监测数据通过工业以太网传输到控制层，同时监控数据，比如实时视频和语音，也通过工业以太网传输到控制层，这样就实现了传感器监测数据、语音和视频监控信息的有效整合。通过工业以太网将设备级别的连接到主控制站，可以有效解决信息孤岛问题。控制层主要位于地面，通过监控主机来实现对井下机电设备数据的监控、显示和存储。控制层会通过安设在运输线路上的辅助设施，与地面控制层通过Industrial以太网进行数据交互。设备层的主要任务是收集井下各种机电设备的运行状况参数，并执行决策命令。这些参数包括设备的运行温度、稳定性等。决策命令涉及运输、掘进和开采设备的操作控制。

二、基于大数据的矿山机电设备智能监控系统设计

1、数据存储卡接口设计

在数据传输的过程中，主要的硬件系统共分为3部分，分别是存储单元、数据采集单元、通信单元。存储卡设计主要分为SD卡和TF卡2类。在智能化煤矿机电设备的监控系统中，需要更小巧的存储接口以及更快的数据传递速度。因此，本文的存储卡接口设计选取TF卡。文中设计的TF卡接口电路，相比于SD卡，TF卡更加简易，优势在于其体积容量更小，便于在狭小的空间内使用，在低速的接口中具备更加广阔的应用前景。在电路中，需要采取120Hz的主频作为快速运转的内置需求，在1MB的Flash支持中，额外向外扩展，以保持相对应的接口完整。在兼容速度与内存时，可以通过SDIO接口表示以太网的嵌入式通信资源，从而满足信息传输过程中对数据的存储需求。

2、基于PLC的系统网络设计

整个监测系统硬件部分主要由PC及其外围设备、Web服务器、PLC、现场总线、传感器等组成，其中SIMATICS7-300可编程序控制器是分离式模块化结构设计,各种独立模块之间可以多样组合，以用于功能和性能扩展。PLC网络的分层和NBS/ISO模型的分层不是一一对应的关系，相邻几层的功能若对通信要求相近，则由一级子网去实现。采用多级复合结构不仅通信适用性强，而且具有良好的可扩展性，用户可以根据投资和生产多少进行开发，从单个PLC到网络，从下到上逐步开发。PROFIBUS总线是公开的通用总线，MPI总线西门子系列PLC专用的非公开总线，二者各有优点，且互不打扰。PC通过工业以太网连接各300PLC主站，主站通过MPI总线和PROFIBUS总线与各从站PLC通信，采集各I/O模块的信息。

3、数据传输单元射频芯片接收装置设计

通过上文所述的内容采集得到数据，并保存在TF卡中后，就可以将整理分析后的数据传输到主端中，此时需要通过一定的自组网络完成PCI型的接口，以便增强节点的信息传递效果。该存储卡规格为ZP-7765，且可以支持以太网自行配置最终的性能。在远距离的数据传输部分，每个节点都可以连通WiFi，形成一个高度集成的芯片，将无线网络无线网卡的功能集合在同一款数据处理产品中，并构成一个支持多种协议的收发器，便于接口与外界的通信。数据传输的射频芯片中主要包括3个通路，其中NT表示信号发射窗口，TM表示接收窗口，PＲ表示信号放大窗口。在噪声的增益环节，需要设定传输增益25dB，接收增益31dB，在这个高度集成的模块中，将便携式的噪声放大器与功率放大器连接在一起，形成一个集成式的噪声负载控制仪。经过数据采集、数据存储以及数据传输通道的硬件设计，可以提高信息传输过程中的效率，减少噪声的影响，提高信号接收强度。

4、生产系统智能联动控制

主运输系统与采掘系统联动控制。通过在井下每台带式输送机部署AI分析摄像机，实时监控带面运输煤量，并将信号反馈至PLC控制器，实现主运输系统智能调速控制。同时结合综采工作面采煤机位置、采煤机电流和掘进设备生产功率、电流等数据，预测主运输系统每台输送机上运输量，结合带式输送机长度，从而合理控制输送机速度，达到节能降耗的目的，有效降低设备损坏。综采工作面采煤机与刮板机联动控制。综采工作面经常因运输机煤量过大过载跳闸，在二次重载启车时造成断链断刮板困扰。为此，通过分析工作面运输机煤量与采煤机割的物质成分、割煤位置、牵引速度、截割电流和刮板机速度之间关系，建立数据分析计算模型，推算工作面运输煤流量，结合刮板机的负载情况，实时控制刮板机运输速度，有效解决刮板机经常被重载启动“压死”等问题，同时也大大降低设备损耗和电耗，提高矿井智能化水平。另一方面通过简道云系统建立机电设备全生命周期管理系统，结合综合自动化系统统计数据，分析井下各系统大型部件安装时间、运行时间和过煤量，预测设备预到寿命期限，并按计划制定检修和更替计划，从而有效管控设备故障。

三、维护和管理工程机电设备智能监控

1、建立明确的责任体系，有效实现信息资源共享

为了提高矿山建设中机电设备的维护和管理效率，必须建立科学明确的责任制，并充分利用信息资源进行有效交流。对于机电设备的维护和管理，需要依靠科学明确的责任制，明确各部门的工作职责和具体分工，以保证对自己工作的优先事项有准确的理解。通过这些措施，可以提高维护和管理的效率。在机电设备的维护和管理过程中，另一方面需要彻底分离信息资源。通过优化信息交换效率和提升其质量，可以更好地提高合作效率，全面识别机电设备的缺陷和问题，从而实施科学的支持和管理。

2、提高员工专业素质，确保维护持续有序。

在矿山工程中，机电设备的维护和控制，相对于要求的专业素质较高，专业素质对服务和管理人员至关重要。只有通过不断提升维修管理人员的专业素质，不断优化维修管理意识，积极促使他们主动参与维修管理过程。为了提升服务人员的素质和综合能力，我们需要依赖科学完善的教育培训体系。同时，在人才培养和培训过程中，我们要加强人力资源的评价和管理，不断提高对维护和管理人员的招聘标准，全面加强企业评价和绩效评估。

结语

机电设备是煤矿井下运作的核心，关系到煤矿的开采、运输、通风以及排水等稳定运行。确保机电设备的稳定运行，对提升煤矿运行的安全性至关重要。因此，提出了智能系统对机电设备的运行状态监测，实现对机电设备的运行参数的监测以及远程控制。井下机电设备在运行的过程中，地面监控中心可以即时获知其工作参数。智能监控系统能够自动发送故障预警信息，在很大程度上提高了煤矿机电设备的稳定性。

参考文献

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