李 偉 程曉涵 徐國(guó)賢

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

目前，煤礦大部分礦用主扇風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的振動(dòng)傳感器受到煤安標(biāo)志認(rèn)證的限制，只能安裝于風(fēng)機(jī)風(fēng)道的外殼，所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)不能準(zhǔn)確地反映風(fēng)機(jī)內(nèi)部葉片及軸承等重要部件的真實(shí)狀況，因此僅能夠根據(jù)軸承溫度過(guò)高、振動(dòng)烈度過(guò)大和風(fēng)壓變化劇烈等明顯異常的信號(hào)來(lái)判別風(fēng)機(jī)是否存在嚴(yán)重故障。再加上煤礦現(xiàn)場(chǎng)人員難以具備人工分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力，使得長(zhǎng)期以來(lái)礦用主扇風(fēng)機(jī)的故障誘因及其發(fā)展趨勢(shì)不可知，風(fēng)機(jī)運(yùn)行存在安全隱患和維護(hù)成本高等問(wèn)題。

為此，提出了礦用主扇風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)，并在部分煤礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了初步應(yīng)用。該系統(tǒng)采用可安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的本安型振動(dòng)傳感器更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)的工況信號(hào)，并由專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)的遠(yuǎn)程診斷，而位于該系統(tǒng)架構(gòu)底層的風(fēng)機(jī)房監(jiān)測(cè)子站是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

1 礦用主扇風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

礦用主扇風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)的基本架構(gòu)分為風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)子站、礦區(qū)監(jiān)測(cè)分站和遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心3個(gè)部分，風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)基本架構(gòu)

由圖1可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)子站實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的在線監(jiān)測(cè)，將采集到的風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)值通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至礦區(qū)分站，供上一級(jí)設(shè)備管理部門(mén)查看。而礦區(qū)監(jiān)測(cè)分站通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將各監(jiān)測(cè)子站上傳的數(shù)據(jù)打包傳輸至遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心，由相應(yīng)的專(zhuān)家和技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)是否正常以及故障部位以及預(yù)計(jì)故障發(fā)展趨勢(shì)，并據(jù)此向礦方提交分析報(bào)告和對(duì)應(yīng)的維護(hù)建議，從而完成了主扇風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程體檢。此外，各礦區(qū)所屬集團(tuán)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)遠(yuǎn)程中心，查看相應(yīng)的分析報(bào)告。

2 主扇風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)子站功能設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)子站要求監(jiān)測(cè)信號(hào)全面和準(zhǔn)確，同時(shí)還應(yīng)具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和受控功能，其功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主扇風(fēng)機(jī)房監(jiān)測(cè)子站功能模塊結(jié)構(gòu)圖

由圖2可見(jiàn)，實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)功能模塊完成對(duì)包括風(fēng)機(jī)負(fù)壓參數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)軸承和稀油站溫度、油壓以及電機(jī)的電流和電壓等變化較為緩慢的風(fēng)機(jī)基本工況參數(shù)的采集，并在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示；振動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)軸承箱和電機(jī)軸承座的三向振動(dòng)信號(hào)的采集；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊將風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和展示，同時(shí)完成振動(dòng)溫度等數(shù)據(jù)文件的無(wú)損存放，并傳輸至礦區(qū)監(jiān)測(cè)分站；遠(yuǎn)程受控功能模塊接受由礦區(qū)分站轉(zhuǎn)發(fā)的遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心指令，執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用和發(fā)送，并調(diào)整各模塊的具體設(shè)置，以滿足遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心對(duì)主扇風(fēng)機(jī)工況數(shù)據(jù)分析要求。

3 監(jiān)測(cè)子站硬件選型

監(jiān)測(cè)子站的硬件系統(tǒng)包括各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器、信號(hào)變送器、信號(hào)調(diào)理裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、工控機(jī)以及無(wú)線數(shù)據(jù)終端 （DTU）等。溫度、壓力和電參量等模擬信號(hào)經(jīng)采集端1～4 采集后，通過(guò)485總線傳輸至工控機(jī)。信號(hào)調(diào)理箱和數(shù)據(jù)采集卡組成采集端5，通過(guò)PCI總線插槽與工控機(jī)相連，完成對(duì)高頻振動(dòng)信號(hào)的采集。無(wú)線數(shù)據(jù)終端采用485總線與工控機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)與礦區(qū)監(jiān)測(cè)分站的雙向通訊。監(jiān)測(cè)子站的硬件連接如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)子站硬件連接示意圖

監(jiān)測(cè)子站主要硬件選型如下：KLM-413B 型鉑電阻模塊用于對(duì)各部件溫度的測(cè)量，JYB-DW型微壓差變送器測(cè)量風(fēng)機(jī)的管道靜壓，JYB-KW型壓力變送器測(cè)量稀油站的油壓及液位，KSP3系列的電力表測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流和電壓。需要強(qiáng)調(diào)的是，在振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面選用了已獲得煤安標(biāo)志認(rèn)證GBC1000型礦用本安型振動(dòng)傳感器，可以直接安裝在風(fēng)機(jī)內(nèi)部的軸承座，所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)因此更能準(zhǔn)確地反應(yīng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的實(shí)際狀況。振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡選用16 通道的同步數(shù)據(jù)采集卡NI6143。

4 監(jiān)測(cè)子站軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)監(jiān)測(cè)子站的功能要求，采用LabVIEW 進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。LabVIEW 中集成了RS-232／485 協(xié)議及數(shù)據(jù)采集卡通訊功能，可滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)485通訊以及振動(dòng)信號(hào)的采集要求，同時(shí)利用LAB＿SQL工具包以及內(nèi)置TCP／IP 和ActiveX 等標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)ACESS數(shù)據(jù)庫(kù)的操作和遠(yuǎn)程通信。

4.1 軟件整體流程設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)子站系統(tǒng)采用如圖4所示的多線程程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以保證在程序運(yùn)行過(guò)程中不同的程序優(yōu)先級(jí)和程序整體的穩(wěn)定性。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序多線程架構(gòu)圖

通過(guò)上述多線程的程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)窗口觸發(fā)事件模塊的及時(shí)響應(yīng)，運(yùn)行時(shí)間計(jì)算精確。振動(dòng)信號(hào)的采集處理存儲(chǔ)獨(dú)立線程能夠保證對(duì)數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定操作；監(jiān)測(cè)報(bào)警存儲(chǔ)模塊獨(dú)立線程能夠保證監(jiān)測(cè)報(bào)警存貯反應(yīng)及時(shí)。

4.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊

遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸是基于多個(gè)監(jiān)測(cè)子站對(duì)一個(gè)礦區(qū)監(jiān)測(cè)分站服務(wù)器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信模式。利用LabVIEW 的數(shù)據(jù)通信TCP／IP 函數(shù)工具包，編寫(xiě)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸子程序，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)終端（DTU）接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)雙向傳輸。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸程序流程具體步驟如下：

（1）遠(yuǎn)程服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，獲取固定IP 地址，并打開(kāi)TCP／IP鏈接；

（2）服務(wù)器設(shè)定并開(kāi)放監(jiān)測(cè)子站通信的端口；

（3）監(jiān)測(cè)子站創(chuàng)建TCP／IP鏈接，并獲取服務(wù)器IP地址及其開(kāi)放端口；

（4）監(jiān)測(cè)子站連接成功后向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)；

（5）服務(wù)器接受數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，礦用主扇風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程健康診斷系統(tǒng)已經(jīng)在同煤集團(tuán)四臺(tái)礦、晉煤集團(tuán)寺河礦和趙莊礦等現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)子站已取代原有的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全面監(jiān)測(cè)上述礦區(qū)的主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)礦區(qū)分站將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至位于北京的遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心。遠(yuǎn)程預(yù)知維護(hù)中心由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并定期向礦方發(fā)布分析報(bào)告。到目前為止，所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果吻合風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，為礦方風(fēng)機(jī)運(yùn)行管理提供了可靠的指導(dǎo)。

［1］ 李偉，孟國(guó)營(yíng)，程曉涵等.煤礦設(shè)備預(yù)知維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］.煤炭工程，2011（5）

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