煤矿大型机电设备在线监测与故障诊断系统

煤矿大型机电设备在线监测与故障诊断系统

马祥翔1宋付勇2

山东省济宁市兖矿集团济宁二号煤矿山东济宁272072

摘要：胶带机、通风机以及提升机等大型机电设备的安全运行是确保煤矿安全生产的关键，这些大型设备运行状态和故障监测是确保煤矿安全生产的重要措施。本文以某煤矿为例，该矿基于工业以太网构建和实现了基于煤矿大型设备运行状态及故障的实时在线监测和诊断系统，经实际应用，有效降低了设备运行故障，同时显著提高了点检人员的工作效率及检修成本。

关键词：煤矿设备；运行状态；故障监测

引言：

近年来，随着计算机技术、传感器技术和信息通讯技术的不断提升，煤矿井下设备的功能越来越多样化，在实现煤矿自动化生产的同时，也产生大量的故障问题，而且有些故障问题很难被发现，从而造成设备运行中断，降低生产效率。为了保证井下大型设备的稳定运行，在线监测和故障诊断技术必不可少，早期发现问题，在发生事故之前找出问题进行维修保养，以免造成更大的损失。

1.滚动轴承振动机理滚动

轴承是煤矿中大型设备的主要零部件，在煤矿大型设备的故障中，滚动轴承出现故障的概率约为30％，利用故障诊断技术对滚动轴承进行监测和故障判断，可以有效的将事故的故障发生率降低75%，维修费用可以降低25%左右。

造成轴承振动的因素可以分为内部因素和外部因素，其中由于出厂前的装配问题产生的机械结构问题、运行时的故障和轴承自身设计的结构特点成为内部因素，在轴承的运行过程中，最容易导致轴承系统出现振动的因素是运行故障，微小的振动激励可以使轴承系统处于不正常工作状态，这种不正常状态又会加剧轴承的振动。在引起轴承振动的三个因素之间没有必然的联系，引起振动的信号具有一定的随机性，需要根据振动的频率，分别处理动的造成原因，通过分析不同频率下的振动信号，诊断故障来源。

2.监测系统设计及硬件选型

2.1系统总体结构

本文构建的大型设备状态运行及故障在线监测系统对煤矿16处机械设备的子系统开展了监测和诊断故障。图1是监测结构示意图，各监测设备通过监测点进行管理，并通过CAN总线在井下对监测点与监测设备进行通信，控制器和传感器在CAN总线的作用下高速传输数据，通过以太网可以将对应大型设备监测采集的信息实时传送至集控中心工控机，以便检修和管理人员实时查看和进行信息管理，及时掌握各系统的故障诊断结果和监测设备数据。

图2C/S和B/S结构图

设备运行及故障实时监测系统通过采集信号实现对设备运行状态的诊断和管理。目前，监控采集系统以两种结构实现，即B/S系统和C/S系统（图2）。尽管C/S系统结构的响应速度较快，但该结构不能查询装置客户端的网络用户，分布性较差；B/S进行查询数据库的请求时必须先经过web服务器，但其分布性强、易于开发，可以实时远程操作，并使用网页同步更新全部用户数据。采取B/S结构，可以降低web发布的操作客户端系统装置的复杂度，并且对利用web联系专家紧急处理和远程监控进行支持[1]。

2.2采集系统设计

数据采集系统主要通过安装振动或温度传感器实现对主要设备温度及振动信号的实时监测，并且通过设置专用振动监测仪对信号进行采集、放大、A/D转换、滤波，再对信号采取相关的计算（包络谱分析及时、频域分析等），通过数据采集站点将处理好的温度信号、分析振动结果的数据传输到环网交换器，再将信息通过以太网传输给数据库服务设备，对设备运行过程的温度和振动信号等数据实时开展在线或远程诊断。

2.3系统的硬件组成

硬件系统由数据采集站、服务器、传感器等与核心部分YHZ18振动监测分析仪结合而成。其组成结构包括煤矿专用的温度传感器、振动加速度传感器、数据采集分站、YHZ18振动监测分析仪、数据库服务器、交换机、工控机、隔爆本安型多路电源等。

3.在线监测与故障诊断系统的监控设计

3.1组态软件的选择

组态软件具备实时在线数据交换的同时，对设备状态进行报警等多层次的组态控制管理，同时可以对各类设备的运行状态及故障信号灯历史数据进行存储和打印，支持数据共享和第三方接口传输和下载，支持人工设置以及多个系统的时钟同步，支持internet/intranet来应用于开发web，方便于切换运行与环境开发等性能。

3.2系统的功能实现

通过图形化来设计和开启各设备机组时采用组态王，必须转换成HTML格式的文件来替代实现的监控画面，设置web应用，必须考虑对web进行远程监测的实现。要充分依据运行及故障监测需求对易发故障点进行监测装置的设定，同参数的监测及对报警参数的最低强度值进行设定。本系统在进行数据再处理分析、删减、查询时，采用SQL数据库，并通过数据库服务器对各分支系统进行数据监测和存储分析。因为子系统太多，其监测点较多且管理数据时需要逐个进行，管理数据库变得复杂化，所以在管理后台监测数据时，采取管理数据库的系统软件，在操作软件时可以自由选取各子系统的监测数据进行了解，对通道数、测点、烈度、故障原因、峰值等进行查看。

4.基于IFIX设备运行状态与故障在线监测控制平台构建

4.1OPC技术

OPC作为一种标准，在工业数据交换中起控制作用，OPC技术的基础是OLE/DCOM，OPC接口还可以用于对底层数据进行访问，从而使生产效率大大提高。IFIX集中管理系统必须通过OPC数据服务器进行访问，对IFIX进行配置要求有两个：客户端和OPC服务器，对组态王的实时监控信息通过OPC接口获得。

4.2系统接入IFIX集控中心

为了监管子系统如提升机，风机，胶带运输机等设备，必须进行集中远程监管和综合性自动化管理。大型设备集控部门诊断故障系统主要由发出操控命令的计算机经组态王程序转换成dev、rtdata文件，系统采用FTP方式传输文本，将文本里的数据传送至终端设备或集控中心工控机，管理人员通过工控机实现对相关数据的采集和诊断，传输硬件均采用以太网接口，通过光纤或网线接入交换机。

4.3基于IFIX的大型设备故障系统的实现

本系统基于IFIX的集控技术构建监控管理平台，不仅可以对大型设备运行状态进行实时监测，还可以实时通过诊断故障系统共享信息，这样有利于对设备故障部位和故障程度的判断以及集中远程监测。监测内容实时显示设备的温度、振动、故障部位以及故障程度，当温度、振动的值超过预先设置的值时会产生报警，从而提前做好设备发生严重故障前的维护准备，以防事态的扩大[2]。

结语

根据IFIX操控命令的计算机、组态王和数据库管理，对某大型煤矿的设备检测故障系统及运行状态的开发与设计，对大型设备的主要部位的轴承的温度和振动完成了报表查询、实时显示、趋势分析、诊断分析、报警查询等功效，能够具有重要的大型设备远程诊断故障的能力。试运行效果显示，对于降低设备故障率，实现故障信号等数据的在线及远程传输准确性及实时性均有显著提升，确保了煤矿大型设备的运行稳定性，保障了煤矿生产的安全性和生产效益。

参考文献：

[1]任宇.煤矿机电设备状态监测与诊断技术研究[J].煤矿现代化，2013（03）：105-107.

[2]李臻，操虹，贾洪钢，范旭峰.煤矿带式输送机轴承监测诊断系统及其应用[J].工矿自动化，2011，37（12）：15-18.