礦用主扇風機遠程健康診斷系統(tǒng)的監(jiān)測子站研究＊

李 偉 程曉涵 徐國賢

（中國礦業(yè)大學 （北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

目前，煤礦大部分礦用主扇風機的在線監(jiān)測系統(tǒng)所采用的振動傳感器受到煤安標志認證的限制，只能安裝于風機風道的外殼，所測得的振動信號不能準確地反映風機內部葉片及軸承等重要部件的真實狀況，因此僅能夠根據(jù)軸承溫度過高、振動烈度過大和風壓變化劇烈等明顯異常的信號來判別風機是否存在嚴重故障。再加上煤礦現(xiàn)場人員難以具備人工分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力，使得長期以來礦用主扇風機的故障誘因及其發(fā)展趨勢不可知，風機運行存在安全隱患和維護成本高等問題。

為此，提出了礦用主扇風機遠程健康診斷系統(tǒng)，并在部分煤礦現(xiàn)場進行了初步應用。該系統(tǒng)采用可安裝在風機內部的本安型振動傳感器更準確地監(jiān)測風機的工況信號，并由專業(yè)人員通過網絡實現(xiàn)對風機狀態(tài)的遠程診斷，而位于該系統(tǒng)架構底層的風機房監(jiān)測子站是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。

1 礦用主扇風機遠程健康診斷系統(tǒng)簡介

礦用主扇風機遠程健康診斷系統(tǒng)的基本架構分為風機監(jiān)測子站、礦區(qū)監(jiān)測分站和遠程預知維護中心3個部分，風機遠程健康診斷系統(tǒng)基本架構如圖1所示。

圖1 風機遠程健康診斷系統(tǒng)基本架構

由圖1可見，風機監(jiān)測子站實現(xiàn)對各個主扇風機運行工況的在線監(jiān)測，將采集到的風機狀態(tài)參數(shù)值通過無線網絡或工業(yè)以太網傳輸至礦區(qū)分站，供上一級設備管理部門查看。而礦區(qū)監(jiān)測分站通過互聯(lián)網將各監(jiān)測子站上傳的數(shù)據(jù)打包傳輸至遠程預知維護中心，由相應的專家和技術人員對數(shù)據(jù)進行分析處理，判斷風機當前運行狀態(tài)是否正常以及故障部位以及預計故障發(fā)展趨勢，并據(jù)此向礦方提交分析報告和對應的維護建議，從而完成了主扇風機的遠程體檢。此外，各礦區(qū)所屬集團相關領導也可以通過互聯(lián)網訪問遠程中心，查看相應的分析報告。

2 主扇風機監(jiān)測子站功能設計

風機監(jiān)測子站要求監(jiān)測信號全面和準確，同時還應具備遠程數(shù)據(jù)傳輸和受控功能，其功能模塊設計如圖2所示。

圖2 主扇風機房監(jiān)測子站功能模塊結構圖

由圖2可見，實時工況監(jiān)測功能模塊完成對包括風機負壓參數(shù)、轉速、風機軸承和稀油站溫度、油壓以及電機的電流和電壓等變化較為緩慢的風機基本工況參數(shù)的采集，并在上位機實時顯示；振動數(shù)據(jù)采集功能模塊實現(xiàn)對風機軸承箱和電機軸承座的三向振動信號的采集；數(shù)據(jù)存儲功能模塊將風機實時工況數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，便于對歷史數(shù)據(jù)進行查詢和展示，同時完成振動溫度等數(shù)據(jù)文件的無損存放，并傳輸至礦區(qū)監(jiān)測分站；遠程受控功能模塊接受由礦區(qū)分站轉發(fā)的遠程預知維護中心指令，執(zhí)行歷史數(shù)據(jù)的查詢、調用和發(fā)送，并調整各模塊的具體設置，以滿足遠程預知維護中心對主扇風機工況數(shù)據(jù)分析要求。

3 監(jiān)測子站硬件選型

監(jiān)測子站的硬件系統(tǒng)包括各個監(jiān)測點傳感器、信號變送器、信號調理裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、工控機以及無線數(shù)據(jù)終端 （DTU）等。溫度、壓力和電參量等模擬信號經采集端1～4 采集后，通過485總線傳輸至工控機。信號調理箱和數(shù)據(jù)采集卡組成采集端5，通過PCI總線插槽與工控機相連，完成對高頻振動信號的采集。無線數(shù)據(jù)終端采用485總線與工控機連接，實現(xiàn)與礦區(qū)監(jiān)測分站的雙向通訊。監(jiān)測子站的硬件連接如圖3所示。

圖3 監(jiān)測子站硬件連接示意圖

監(jiān)測子站主要硬件選型如下：KLM-413B 型鉑電阻模塊用于對各部件溫度的測量，JYB-DW型微壓差變送器測量風機的管道靜壓，JYB-KW型壓力變送器測量稀油站的油壓及液位，KSP3系列的電力表測量驅動電機的電流和電壓。需要強調的是，在振動監(jiān)測方面選用了已獲得煤安標志認證GBC1000型礦用本安型振動傳感器，可以直接安裝在風機內部的軸承座，所測得的振動信號因此更能準確地反應風機旋轉部件的實際狀況。振動信號的數(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)測子站軟件開發(fā)

根據(jù)監(jiān)測子站的功能要求，采用LabVIEW 進行軟件開發(fā)。LabVIEW 中集成了RS-232／485 協(xié)議及數(shù)據(jù)采集卡通訊功能，可滿足對現(xiàn)場485通訊以及振動信號的采集要求，同時利用LAB＿SQL工具包以及內置TCP／IP 和ActiveX 等標準庫函數(shù)，實現(xiàn)ACESS數(shù)據(jù)庫的操作和遠程通信。

4.1 軟件整體流程設計

監(jiān)測子站系統(tǒng)采用如圖4所示的多線程程序設計結構，以保證在程序運行過程中不同的程序優(yōu)先級和程序整體的穩(wěn)定性。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)程序多線程架構圖

通過上述多線程的程序設計，可以實現(xiàn)窗口觸發(fā)事件模塊的及時響應，運行時間計算精確。振動信號的采集處理存儲獨立線程能夠保證對數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定操作；監(jiān)測報警存儲模塊獨立線程能夠保證監(jiān)測報警存貯反應及時。

4.2 遠程數(shù)據(jù)通訊

遠程信號傳輸是基于多個監(jiān)測子站對一個礦區(qū)監(jiān)測分站服務器的點對點網絡通信模式。利用LabVIEW 的數(shù)據(jù)通信TCP／IP 函數(shù)工具包，編寫遠程數(shù)據(jù)傳輸子程序，并通過無線數(shù)據(jù)終端（DTU）接入互聯(lián)網，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)雙向傳輸。遠程數(shù)據(jù)傳輸程序流程具體步驟如下：

（1）遠程服務器接入互聯(lián)網，獲取固定IP 地址，并打開TCP／IP鏈接；

（2）服務器設定并開放監(jiān)測子站通信的端口；

（3）監(jiān)測子站創(chuàng)建TCP／IP鏈接，并獲取服務器IP地址及其開放端口；

（4）監(jiān)測子站連接成功后向遠程服務器發(fā)送數(shù)據(jù)；

（5）服務器接受數(shù)據(jù)并進行顯示及存儲。

5 現(xiàn)場應用

目前，礦用主扇風機遠程健康診斷系統(tǒng)已經在同煤集團四臺礦、晉煤集團寺河礦和趙莊礦等現(xiàn)場推廣應用。風機監(jiān)測子站已取代原有的在線監(jiān)測系統(tǒng)，全面監(jiān)測上述礦區(qū)的主扇風機運行狀態(tài)，并經過礦區(qū)分站將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至位于北京的遠程預知維護中心。遠程預知維護中心由專業(yè)技術人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并定期向礦方發(fā)布分析報告。到目前為止，所監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結果吻合風機實際運行狀況，為礦方風機運行管理提供了可靠的指導。

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