网络化矿井提升机监测报警系统设计论文.doc
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1、题目:网络化矿井提升机监测报警系统设计专业:机械设计及其自动化第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义提升机是矿井大型固定设备之一,是矿山生产运输的主要工具,它担负着提升煤石、下放材料、升降人员和设备的任务,是联系井上与井下的唯一途径,素有矿井“咽喉”之称1。随着矿山生产的集中化和大型化发展,提升能力不断加大,运行速度越来越高,实际运转时间不断加长,因此对提升机运行的安全可靠性要求也越来越高。提升机的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力,影响整个矿山的经济效益,而且还涉及到井下工作矿工的生命安全。目前我国矿山由于提升机故障而发生重大事故的例子还是很多。如:徐州韩桥矿山潘家屯副井多绳落地摩擦式
2、提升机,由于原设计深度指示器采用了传统控制方式,曾几次发生过卷事故,最严重的一次是提升研石时,减速点没有起作用,司机也没有发现,没有及时采取措施,造成高速过卷,致使楔形罐道全部冲毁,天轮下的防撞木撞碎,给生产带来严重的危害2;广东韶关凡口铅锌矿四台提升机(一台交流拖动、三台直流拖动),在使用传统行程监测方式时,提升机过卷事故时有发生,有几次严重的过卷事故造成较大的设备损失,导致全矿停产3;1998年河南平顶山市石龙区西区煤矿副井提升机由于行程控制系统故障发生坠罐事故,死亡14人4;2002年,淮北芦岭煤矿主井提升机由于行程监测系统失灵,提升机在生产中发生过卷事故,事故使得煤矿生产停工,造成了巨
3、大的经济损失。当前,我国有一大批老提升设备、机组,其服役已接近或超过其寿命期,进入“损耗故障期”,故障率增多,而要全部更新,经济负担很重,根本不可能。如何确保提升设备经常处于安全可靠的运行状态,除了在设计计算时合理选择运行参数外,关键在于对其进行状态监控。对提升机运行的主要参数进行连续不断的在线监测监控,使司乘人员随时了解提升机的运行情况,并在超限时做出故障报警,供司乘人员操作时参考。如提升机过速而造成的过卷、过放现象,制动器闸瓦的磨损,制动弹簧的疲劳引起的制动器失效等。通过对提升机各主要参数的监测监控,可以使司乘人员在接到这种报警信息时做出及时处理,可以大大减少事故的发生。因此,开发一套简单
4、适用的计算机监控系统是非常必要的。提升机的实时监测一直是提升技术的重要课题之一。当前,许多煤矿都未设置提升机的监控系统,国内外已有的监控系统大多数是对整个矿山的大型监控系统。国外研制的监控系统稳定性虽好,但价格过高,对于中小煤矿来说是难以承受的;国内研制的针对提升机的监控系统大都是采用单片机技术,其抗干扰能力差,性能不稳定,而且在开发测试系统的软硬件方面主要采用汇编语言、C语言,在语言编程方面需要花费相当的人力和时间,并且已开发的专家系统大部分仍工作在DOS环境下,人机界面不友好,功能不完善,可扩展能力不强,系统一旦建立,修改起来具有相当的难度。基于以上原因,本文采用全新的虚拟仪器开发平台Lb
5、aVIEW来开发整个监控系统。虚拟仪器技术经过近20年的发展,技术日趋成熟。美国虚拟仪器系统及其图形编程语言,已作为各大学理工科学生的一门必修课程。在我国,尽管虚拟仪器的应用较晚,还处于应用初期、起步阶段,但其应用已经体现在航天航空、机械工程、电力电子工程、建筑工程、生物医疗、纺织工程及其教学科研等诸多领域,对科学技术的发展和生产产生了巨大的影响和经济效益。当前,在以PC机为基础的测、控软件中,LabVIEW的市场普及率已仅次于C+与C。随着计算机和微电子技术的发展,虚拟仪器很有可能成为下一代的仪器标准。因此选基于LabVIEW的矿井提升机监控系统择在LabVIEW平台下开发的矿井提升监测系统
6、有很好的应用前景。基于LabVIEW的提升机监控系统,利用虚拟仪器公司研制的数据采集卡,能迅速地建立一个功能强大、性能稳定的监控系统,并且工作在Windows系统下,界面直观形象。开发人员只需要理解各个图标的表示功能,在程序开发中只需要用连线连接各功能模块就能完成所需要的软件功能。同时LabVIEW支持模块化与层次化设计,搭建程序非常清晰、可读,维护起来简单方便。不仅如此,LabVIEW也有很好的开放性和扩展性,使系统功能的扩展和完善变得非常容易。基于LabVIEW的提升机监控系统是LabVIEW在矿山设备监控方面的一个尝试。与以单片机为核心的监视系统相比,软件开发的时间缩短4-6倍。与局限于
7、提升行程速度监视的系统相比,监视参数有所增加,并加入了简单的报警系统,系统功能有大幅度提高,其应用对提高中小煤矿的安全性方面具有重要意义。1.2 国内外研究现状煤矿监测监控技术的开发和应用,主要依次经历了:人工离线监测方式;单机集中式在线监测;基于网络的远程监测系统。我国从70年代开始从国外逐步引进一批用计算机控制的安全生产监测监控系统,同时引进相应的制造技术。国内的很多公司及其科研院所投入大量的人力物力展开设备监测系统的研制和开发。经过几十年的努力,我国自行研制的安全生产监测系统迅速发展,目前国内监测系统的结构与计算机管理技术达到了90年代初的国际先进水平,全国比较大的矿井几乎都安装了监测系
8、统5。国家重点煤矿全部安装监测系统,并已成为煤矿标准化达标的首要条件。国内还通过自主研发和对引进系统的改造,研制出多种KJ系列的煤矿监测控制系统。与早期的产品相比,新产品具有设备简单、组培灵活、容量大、检查周期短、安全可靠、易于维护等诸多优点。但是现有监测系统存在着智能程度低、通用性差等问题,既不符合智能型集中监控的要求,又不能完全满足煤矿安全生产的需要6。目前,我国安装的监控系统均是针对单一被测对象开发,都属于专用监测系统。经过几十年的努力,我国在对提升机状态监测的研究方面已经取得很多成就,有些甚至达到了国际领先水平。比如兖州矿业公司滩煤矿研制的矿井提升机状态监测系统,可以完成对提升机运行状
9、态参数的在线监测与曲线图分析(包括电气设备电量参数、液压系统的压力量与电流量、主轴振动信号等的在线监测),并且实现了滑绳量的识别、捕捉第一故障点及参数记忆、主要操作事件及参数记忆、技术性能测定与报表生成、环境监测功能,总体构成包括提升机拖动控制系统电量监测、制动控制系统的闸瓦间隙及主轴振动信号监测、制动控制系统的压力信号及机房环境温度监测、控制系统故障源状态监测、控制系统开关量状态及轴编码器脉冲信号监测、系统电源监测6个子系统。整体水平居国内领先水平,在电量的测量方面达到国际先进水平,并且通过了技术鉴定7。各大高校也相继对提升机监测系统展开研究,并且取得显著成就。太原理工大学开发出针对提升机制
10、动系统监测的基于MSC-51的嵌入式提升机监测系统。嵌入式提升机监测系统实现了对提升机多路信号的实时监测,实时存储数据和人机对话功能,以一种新的思路实现了提升机的信号监测。中国矿业大学开发的针对提升机电气传动系统的监测系统,河海大学利用激光测距原理开发的矿井提升机监测系统等,在吸纳前人研究成果的基础上融合其它相关技术做了进一步的探索8。这些高校发挥当地资源和区域优势在提升机监测方面取得很大进展,在提升机监测方面的发展方向上起到了良好的借鉴和指导作用。 国外对提升机监测系统的研究开始时间比较早,如今已达到很高的水平。特别是对闸控和速度监控系统等重要环节,设计更加合理,有些重要环节甚至还进行双重保
11、护。这些措施给提升机的安全运行提供了可靠的安全保证。 例如::瑞典的ABB公司在矾山磷矿副井保护中实行了各方面的完善保护,整个系统采用 ABBMasterPieCe200/l计算机为主控计算机,配以彩色监视系统计算机Master View810/l、电机拖动系统电流环以及速度环控制计算机,构成一个网络号为NETn的计算机监测网络,实现对提升机的完善保护、监测与控制。法国也给提升机提供了完善的安全保护。整套系统中安全保护有60多种,可分为3大系统。系统一是机械性质的故障保护,系统电路包括制动控制系统电路、速度控制系统电路、液压站系统电路。当这些系统出现故障时,对提升机施加机械的或者电气制动力矩,
12、控制提升机使其紧急停车,减速度控制在2.6m/s以内。系统二是速度控制、磁场以及电枢整流器系统的监测与控制。系统三是盘型闸控系统,调零系统,控制电源的接地、电机以及变压器超温等的监测与保护。当它们出现故障时切除速度信号,使自动停车。德国研制的AGE提升机采用一台全数字式行程控制器和一台机械式监控器相配合的速度监控系统。安全控制器采用机械式行程监控器,在数字式行程控制器发生故障时启动机械式行程控制器,采用这样的双重保护,使速度行程控制更为可靠。数字式行程控制器为提升机自动化运行计算和预置速度给定值,实现常规的行程控制系统的所有控制和监测功能9。1.3 本文主要研究内容本论文在深入研究矿井提升系统
13、各种常见故障的特征的基础上,借鉴国内外研究成果,采用美国NI公司的LabVIEW集成开发平台,根据现有实验设备和实验条件基于,以模拟提升行程的信号为主,开发了一套集数据采集、信号分析、状态监控、故障监测、故障报警、数据存储、报表打印及网络通信为一体的多任务信息处理系统。本论文主要内容包括:(1)对提升系统实际运行状态进行分析,确定其相应的监测参数和监测点。(2)利用计算机系统开发出一套可靠的在线监测系统。此系统包括信号的采集、处理,各部分的逻辑关系,参数的数据库存储与查询等。(3)系统需要完成模拟信号、数字信号和脉冲信号的实时采集与处理,以及对各参数的动态图形显示和模拟仪表显示,通过将实际运行
14、参数与系统各参数保护设定值进行比较,作为报警和控制的依据。(4)将各参数进行数据库定时存储,当操作人员及管理人员对设备运行状态进行查询,可显示并打印各参数和状态的内容。(5)实现网络化的监测系统。1.4 小结本章主要介绍了研究网络化矿井提升机故障监测报警系统的背景及意义和国内外研究提升机监测的概况,最后对本课题研究的主要内容做了简单的介绍。第2章 矿井提升机故障形式及其监测方法的确定矿井提升机的组成以多绳摩擦式提升机为例,直流传动多绳摩擦式矿井提升系统主要由工作机构、制动系统、机械传动系统、润滑系统、观测和操作系统、拖动控制和自动保护系统、外加辅助部分等构成10。图2-1 多绳摩擦式提升设备示
15、意图1. 工作机构主要主要是指主轴装置和主轴承等主轴装置由主轴卷筒滚动轴承支轮制动轮、调绳离合器等组成。2. 制动系统液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置,是提升机不可缺少的重要组成部分之一,是提升机最关键也是最后一道安全保障装置,制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒,使提升机停止转动。液压传动装置的作用是作为制动力的能源,控制制动器的动作。即:根据运行需要,分别实现工作制动和安全制动。3. 机械传动系统机械传动系统,机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力,联轴器是用来联接提升机的旋转部分,并传递动力。4. 润滑系统润滑系统
16、是在提升运行过程中,不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油,以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护和电动机联锁,即润滑系统失灵时,主电动机断电,确保机器的正常工作。5. 观测和操纵系统观测和操纵系统包括斜面操纵台,深度指示器以及测速发电机装置。深度指示器的作用是:显示提升容器的运行位置;容器接近井口卸载位置和井底停车场时,发出减速信号;当提升机超速和过卷时,进行限速和过卷保护。6. 拖动控制和自动保护系统拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是:在司机不参与的情况下,发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动
17、而实现对系统的保护。自动保护系统一般是由PLC来控制,是提升机的第一道重要的安全保护装置。矿井提升机常见故障及其状态监测参数的确定提升机在日常工作中常常会出现各种故障,这些故障轻者会造成提升机停机检修,重者会引起安全事故。这些故障发生前或发生时都会在相应的部位出现某些征兆,因此早期发现这些征兆并及时做出处理,能很好的降低维修成本,提高提升机运行的安全系数。根据提升机测试,及现场提升机运行的经验,提升机常见的故障如下表2-1所示:故障部位故障类型需监测量电机电机超速;电机过流;电机堵转;错向;电机温度过高提升速度、提升电流、提升深度、电机温度、电机振动减速器齿轮响声和振动过大;打牙断齿;齿磨损过
18、快;减速器传动轴弯曲或折断;减速器滑动轴承的损坏振动、轴承温度卷筒卷筒偏摆量过大;过卷;卷筒出现响声偏摆量、提升深度和提升速度主轴及其轴承主轴折断;滑动轴承轴瓦烧毁;滑动轴承过热;滚动轴承的滚珠有麻坑,保持架断裂,内外座滚道产生麻坑和裂纹振动、轴承温度盘式制动系统提升机正常运转中,突然降压而松不开闸;制动油压上不去;闸瓦磨损严重;闸瓦烧毁;制动不及时;制动闸控制回路过流液压油油压、油温、闸瓦间隙、闸瓦温度、回路电流表2-1 提升机常见的故障由上表可见,网络化的提升机状态监测报警系统需对提升机的提升电流、提升速度、提升深度、闸瓦间隙、空动时间、闸瓦温度、制动盘偏摆量、液压站油温和油压、滚筒主轴振
19、动、电机振动、减速箱振动、电机轴承温度、减速箱轴承温度、滚筒轴承温度、制动闸控制回路电流进行实时监测,采用高精度的传感器将各监测量转换成电信号送入计算机。实现对提升电流、提升速度、提升深度、闸瓦间隙、闸瓦温度、空动时间、制动盘偏摆量、液压站油压、油温、加速度、减速度等重要参数进行实时监测;在一次提升过程结束以后对被测参数进行综合分析,判断提升机运行状态,及时捕捉故障征兆,防患于未然;出现故障后可以结合各监测量分析故障原因并进行实时报警;还可以结合各状态参数和历史数据对提升机的整体运行状况进行评价和预测。故障检测方法的确定提升设备监测,是指在提升机运行过程中,或者是停机过程中,对提升机的运行工艺
20、参数,工况参数,运行参数进行监测,并根据这些参数,估计出提升设备的运行状态,对提升设备的早期故障给出预报。按照监测的实时性、记录的连续性,可以把对提升设备的监测分为在线监测和离线监测。1) 在线监测是指利用传感器技术、信号采集技术、和计算机技术对提升设备的某些特征量进行连续、实时的监测和处理,将实时参数显示给提升机司乘人员,能够对机器在各种运行情况下的特征量进行连续记录,为后序的故障诊断做准备。2) 离线监测就是传统的监测方法,这种方法也是利用传感器,机械仪表等,来测量提升机的各类参数,这种操作只需要一些简要仪器,操作灵活,但是由于不可能一直将这种仪器安装于现场,所以一般在提升机的检修期内进行
21、,这种离线监测对于技术人员的要求更高,操作人员不光要熟悉仪器、仪表的使用方法,还要能理解所测得参数值的意义,要根据所测得的数据进行故障原因、故障程度的推理,则难度又进一步加大,离线监测最大的缺点是不能对所测得的数据进行连续的、实时的监测,也不能记录,不能依赖于离线监测来实现视情维修,更不可能寄于此来实现提升机的计算机诊断,也不能实现远程监测与故障诊断。鉴于矿井提升机在煤矿的重要作用,发生故障时所造成的严重的经济损失,以及传统的离线测方法的固有缺陷,客观上要求对提升机进行在线的连续实时监测。小结本章主要介绍了提升机的基本组成及其常见的各种主要故障形式,以及确定了对各故障点进行实时监测所需要监测量
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