設(shè)備健康管理系統(tǒng)在大型露天煤礦的應(yīng)用探究

李永強(qiáng)

（神華新疆吉木薩爾能源有限責(zé)任公司，新疆昌吉831700）

0 引言

露天煤礦氣候條件復(fù)雜，大型機(jī)械設(shè)備較多，隨著設(shè)備使用年限不斷增加，故障頻發(fā)，給煤礦安全生產(chǎn)及檢修帶來了較大的問題。結(jié)合露天煤礦現(xiàn)場的實(shí)際情況，經(jīng)過詳細(xì)研究，決定采用設(shè)備健康管理系統(tǒng)替代傳統(tǒng)維護(hù)手段。

設(shè)備健康管理系統(tǒng)整合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等多項(xiàng)前沿科技，為煤礦機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對傳動(dòng)系統(tǒng)故障進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而監(jiān)測設(shè)備的健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障，預(yù)判關(guān)鍵零部件的殘余壽命等?；谏鲜鲈颍O(shè)備健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用勢在必行。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）礦用采集站采用ARM+DSP雙核嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)置數(shù)據(jù)處理算法可以實(shí)時(shí)完成特征值的計(jì)算和傳輸。16通道2模擬量，最高采樣頻率200 kHz，8通道同步采樣，支持以太網(wǎng)、光纖、WiFi、聯(lián)通3G（WCDMA制式），工作溫度：40～70 ℃。

（2）遠(yuǎn)程系統(tǒng)（圖1）包括：

1）數(shù)據(jù)采集層：設(shè)備表面安裝振動(dòng)無線加速傳感器，傳感器通過M6轉(zhuǎn)接柱與磁座連接，通過專用金屬膠水將磁座與設(shè)備表面粘結(jié)。

2）應(yīng)用層：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并通過短信、郵件等方式通知現(xiàn)場管理人員，系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警信息對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行專業(yè)分析，若設(shè)備出現(xiàn)損傷需要檢修維護(hù)，遠(yuǎn)程診斷會(huì)提供專業(yè)診斷報(bào)告，為現(xiàn)場檢修提供依據(jù)。

3）展示層：采集單元獲取齒輪箱的振動(dòng)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至廠內(nèi)大屏、PC端、手機(jī)APP。

圖1 遠(yuǎn)程系統(tǒng)構(gòu)架

（3）設(shè)備健康管理系統(tǒng)涉及設(shè)備全面，包括電機(jī)、減速器、各類軸承等大型機(jī)械，可診斷多種日常生產(chǎn)作業(yè)中常出現(xiàn)的機(jī)械故障，如：潤滑油是否污染、齒輪咬合故障、葉片故障、定子故障、不平衡、不對中等問題（圖2）。

圖2 涉及領(lǐng)域

2 系統(tǒng)基本組成

設(shè)備健康管理系統(tǒng)基本組成包括：采集站、傳感器、輔助硬件、軟件系統(tǒng)等。各設(shè)備的特點(diǎn)如下：

采集站分為有線采集站和無線采集站兩種（圖3），有線采集站智能模塊針對旋轉(zhuǎn)設(shè)備的特點(diǎn)，為設(shè)備的健康管理和故障診斷的信號而專門設(shè)計(jì)，具備8路振動(dòng)、8路溫度、4路工藝量和2路轉(zhuǎn)速量等通道，可同時(shí)采集并檢測旋轉(zhuǎn)設(shè)備的多種信號；無線采集站針對現(xiàn)場測點(diǎn)較為分散、傳統(tǒng)在線系統(tǒng)線敷設(shè)不便而設(shè)計(jì)，安裝方便、快捷。

圖3 采集站

傳感器分有線傳感器單元及無線監(jiān)測單元（圖4），有線傳感器單元低頻、高敏度，內(nèi)置IEPE電路，隔離輸出，激光密封焊接采用軍用連接器，可用于環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測；無線監(jiān)測單元是一種非常牢固、可靠的儀器，集傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸于一體，不僅可以傳輸靜態(tài)數(shù)據(jù)（總值），還可傳輸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（頻譜）至專業(yè)的分析軟件，使用Zigbee無線通訊協(xié)議，該協(xié)議簡單、可靠，為機(jī)泵群、風(fēng)機(jī)群等關(guān)鍵設(shè)備提供了一種全新的監(jiān)測方式。

輔助硬件包括礦用本安電源、基站、無線CPE、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。礦用電源輸出功率50 W，EMC性能；無線基站純凈5 GHz頻段，傳輸距離達(dá)50 km，300M無線可外接不同類型天線，滿足多種傳輸要求；無線CPE，300 Mbps無線，內(nèi)置高增益雙極化天線，提供高性能無線。

在線監(jiān)測軟件系統(tǒng)（圖5），只需安裝在企業(yè)服務(wù)器上，客戶即可通過游覽器和客戶端程序訪問。系統(tǒng)采用SQL server數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)軟件具有以下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)保存方式靈活，采集的在線數(shù)據(jù)可以選擇使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫，也可配置多個(gè)在線歷史數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

（2）兼容各類在線監(jiān)測站產(chǎn)品，可以進(jìn)行各類在線監(jiān)測站的添加、編輯與通道對應(yīng)測點(diǎn)的配置，設(shè)置每臺監(jiān)測站的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集時(shí)間間隔和數(shù)據(jù)保存策略。

（3）通過網(wǎng)絡(luò)關(guān)系自動(dòng)上傳采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)棒圖和總值趨勢圖動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。對當(dāng)前監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，軟件自動(dòng)監(jiān)控、報(bào)警，同時(shí)技術(shù)人員對報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，軟件實(shí)時(shí)性很高，能夠保證對設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

（4）支持設(shè)備自診斷異常統(tǒng)計(jì)功能。

（5）支持監(jiān)測指標(biāo)的報(bào)警設(shè)置，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)置報(bào)警的不同等級，達(dá)到不同報(bào)警等級，顯示不同的顏色，提醒用戶設(shè)備異常。

（6）提供豐富的數(shù)據(jù)分析功能，20余種分析工具，如時(shí)域波形、頻譜分析、階次分析、多時(shí)域波形、多頻譜分析、極坐標(biāo)圖分析、瀑布圖分析等；同時(shí)具有獨(dú)特的設(shè)備參與壽命預(yù)測算法，能夠?qū)υO(shè)備的參與壽命進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。

圖4 傳感器

圖5 軟件系統(tǒng)

3 系統(tǒng)對于礦山機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值

通過對設(shè)備健康管理系統(tǒng)的基本組成及特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，可以確認(rèn)該系統(tǒng)在未來礦山機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用是很有必要的。

（1）設(shè)備智能互聯(lián)。該系統(tǒng)可以針對設(shè)備易磨易損部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷、分析、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，能夠定位故障點(diǎn)和預(yù)測故障發(fā)生的時(shí)間，監(jiān)視有害發(fā)展趨勢，分析故障根源等，從而有效減少維護(hù)停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（2）使用該系統(tǒng)可使煤礦企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)成本最低、人員勞動(dòng)強(qiáng)度最低，能夠大幅降低設(shè)備管理的難度，確?，F(xiàn)場維修人員的工作環(huán)境更加安全可靠。

（3）該系統(tǒng)應(yīng)用于大型礦山可以有效降低設(shè)備維修的盲目性，保障設(shè)備在生產(chǎn)過程中安全運(yùn)行，減少機(jī)電事故的發(fā)生。

4 設(shè)備健康管理系統(tǒng)在露天煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用效果

膠帶輸送機(jī)和破碎機(jī)作為大型露天煤礦的主要機(jī)電設(shè)備，承擔(dān)著煤礦生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)闹厝危渲匾圆谎远?，很多煤礦也把日常檢修的重點(diǎn)放在了這些設(shè)備上，因此加強(qiáng)對這些設(shè)備的監(jiān)控及管理是非常必要的。本文以膠帶輸送機(jī)和破碎機(jī)為主要研究對象，探討設(shè)備健康管理系統(tǒng)應(yīng)用于大型露天煤礦主要設(shè)備的實(shí)際效果。

（1）某露天煤礦選煤廠主運(yùn)輸膠帶啟機(jī)后，減速箱各個(gè)測點(diǎn)速度總值均出現(xiàn)上升，通過檢測畫面（畫面顯示的數(shù)據(jù)如表1所示）可以看到，以高速軸5H、輸出軸7V和輸出軸8H三個(gè)徑向測點(diǎn)最為顯著，主要為高速軸轉(zhuǎn)頻能量明顯上升導(dǎo)致，高速軸附近存在間歇性動(dòng)靜摩擦。該故障屬于典型的不平衡效應(yīng)，綜合數(shù)據(jù)分析認(rèn)為引起不平衡的原因可能為液力耦合器渦輪軸承間隙增加，導(dǎo)致渦輪形成類似懸臂結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出不平衡特征，同時(shí)渦輪與泵輪之間存在間歇性磨碰。系統(tǒng)提出維修建議：關(guān)注液力耦合器運(yùn)行時(shí)振動(dòng)情況，是否存在異響；排查液力耦合器渦輪軸承是否存在配合松動(dòng)現(xiàn)象；準(zhǔn)備備件，擇機(jī)更換液力耦合器。根據(jù)檢測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析及維修建議，工作人員立即趕赴現(xiàn)場檢修液力耦合器故障，3 h后設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

表1 設(shè)備各測點(diǎn)數(shù)值

（2）某礦山雙齒輥破碎機(jī)在運(yùn)行過程中齒輪箱振動(dòng)較大，設(shè)備生產(chǎn)廠家維修人員通過傳統(tǒng)檢修手段檢查，并未找到具體問題。隨后專業(yè)人員利用該系統(tǒng)對齒輪箱進(jìn)行了振動(dòng)測試，以評估可能存在的故障。通過現(xiàn)場分析與比對，快速出具故障分析報(bào)告，提出可行性意見，測試設(shè)備高速軸和軸向振動(dòng)加速度峰值分別為13g和8g（圖6），對比設(shè)備約為2.5g和3.5g；測試設(shè)備高速軸和軸向振動(dòng)速度峰值分別為14 mm/s和15 mm/s（圖7），對比設(shè)備約為7.5 mm/s和11 mm/s；高速級嚙合頻率及其諧頻附近存在輕微的調(diào)劑邊帶，調(diào)劑頻率與高速級轉(zhuǎn)頻相符。

圖6 設(shè)備加速度對比圖

圖7 設(shè)備速度對比圖

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)描述為齒輪箱高速級齒面嚙合不良，維修建議：檢查聯(lián)軸器對中情況，持續(xù)關(guān)注設(shè)備的振動(dòng)趨勢變化。維修人員到達(dá)現(xiàn)場后，檢查聯(lián)軸器后發(fā)現(xiàn)軸承已嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致了高速級齒面嚙合不良，設(shè)備振動(dòng)較大，隨即更換了聯(lián)軸器，齒輪箱振動(dòng)消除，設(shè)備正常生產(chǎn)運(yùn)行。

設(shè)備健康管理系統(tǒng)在煤礦主要機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用的實(shí)際情況表明，該系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)期的效果，可以快速精準(zhǔn)地監(jiān)測設(shè)備故障，并為現(xiàn)場檢修提出意見，應(yīng)用穩(wěn)定。

5 結(jié)語

設(shè)備健康管理系統(tǒng)作為一種新興的科技力量，給現(xiàn)代煤礦機(jī)電設(shè)備管理帶來了一種更先進(jìn)的管理模式和管理理念，以機(jī)代人、裝備升級，從根源上杜絕了安全隱患的發(fā)生，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

[1]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]王心剛.基于4G通信技術(shù)的煤礦無線通信系統(tǒng)研究[J].中州煤炭，2013（9）：37-39.

[3]徐蕾，韓偉紅，鄭光輝.基于多Agent的煤礦設(shè)備監(jiān)測診斷系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2006，27（12）：199-201.

[4]孟偉光.大型固定設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用 [J].煤炭與化工，2016，39（4）：107-109.