基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)礦井主排水設(shè)備故障研究

馬麗強(qiáng)

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城 048105）

礦井主排水設(shè)備的好壞直接關(guān)系到礦井排水效果，也是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。排水設(shè)備井下工作環(huán)境惡劣，排送流體成分復(fù)雜多樣，含有腐蝕性化學(xué)成分因子，造成礦井主排水設(shè)備出現(xiàn)故障，影響礦井正常排水。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，對(duì)礦井主排水泵機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，機(jī)械設(shè)備有潛在的故障，會(huì)發(fā)出預(yù)警，為礦井主排水設(shè)備故障診斷、維修提供技術(shù)支撐?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)診斷礦井主排水設(shè)備，利于維護(hù)，減小成本。

1 礦井主排水系統(tǒng)

離心泵、電機(jī)、相應(yīng)水管和閥門等構(gòu)件組成了礦井主排水系統(tǒng)。雖然各大礦井涌水量不同，但是礦井主排水系統(tǒng)大體相同。

竹林山煤業(yè)中央泵房水倉(cāng)總?cè)萘繛?600m3，由主副兩個(gè)水倉(cāng)組成，主副水倉(cāng)容水量分別為1000m3、600m3，平均涌水量為80m3/h，最大涌水量為130m3/h。選用的離心泵、防爆電機(jī)和高壓電機(jī)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 水泵型號(hào)及參數(shù)

表2 電機(jī)型號(hào)及參數(shù)

整個(gè)主排水系統(tǒng)由3臺(tái)機(jī)組構(gòu)成，這3臺(tái)機(jī)組的反沖洗和抽真空管路不僅可以獨(dú)立工作，還可以相互導(dǎo)通，在使用和備用工作上可以相互轉(zhuǎn)換，整個(gè)主排水系統(tǒng)管路布局和閥門情況見(jiàn)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)管路布置

2 主排水設(shè)備常見(jiàn)故障及特征

2.1 常見(jiàn)故障

（1）軸承故障。軸承一直處于動(dòng)靜結(jié)合工作狀態(tài)，在工作中容易出現(xiàn)磨損、疲勞和裂紋等故障。軸承磨損主要分為三種：內(nèi)圈磨損、外圈磨損和滾子磨損。若出現(xiàn)磨損但不加以維護(hù)，隨著工作的進(jìn)行，不僅裂紋擴(kuò)大，還有振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生，會(huì)波及到水泵運(yùn)行[1]。軸承不同部位的故障，會(huì)有不同的特征頻率[2]。

外圈故障頻率：

式中：

f0-外圈故障頻率，Hz；

Z-滾珠數(shù)量，個(gè)；

d0-滾珠直徑，mm；

a-摩擦力作用在滾珠和軸承外圈的夾角，°；

D0-軸承直徑，mm；

fr-旋轉(zhuǎn)頻率，Hz。

內(nèi)圈故障頻率：

式中：

fi-內(nèi)圈故障頻率，Hz。

滾珠故障頻率：

式中：

fb-滾珠故障頻率，Hz。

在診斷軸承故障時(shí)，可以根據(jù)上述特征頻率確定軸承故障，進(jìn)而維修或維護(hù)軸承。

（2）轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡故障主要是轉(zhuǎn)子偏心和轉(zhuǎn)子磨損。轉(zhuǎn)子不平衡特征[3]：其振動(dòng)信號(hào)函數(shù)為三角函數(shù)；共振臨界轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子不平衡重要特征。

（3）轉(zhuǎn)子不對(duì)中。若主軸軸承有故障，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有增大現(xiàn)象，甚至?xí)卸啾哆咁l存在[4]。

（4）基礎(chǔ)松動(dòng)。泵底座螺絲松動(dòng)、地基鋼筋松動(dòng)這些都屬于基礎(chǔ)松動(dòng)?；A(chǔ)松動(dòng)故障主要是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值不同。

（5）配合不當(dāng)。軸承與葉輪主軸出現(xiàn)過(guò)盈配合，就會(huì)發(fā)生工作力不足、脫落或者主軸葉輪打滑。相對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)異常，根據(jù)頻譜特性確定故障程度。

（6）水泵氣蝕。水泵氣蝕瞬間周圍液體會(huì)沖蝕葉輪，造成葉輪磨損。有故障時(shí)葉片振動(dòng)會(huì)明顯加劇。

（7）管道漏水。因工作環(huán)境惡劣或操作不正確，排水管道會(huì)出現(xiàn)漏水。產(chǎn)生排水管道漏水原因主要有：年限過(guò)長(zhǎng)，管體老化、銹蝕、破裂；操作不正確產(chǎn)生水錘，管道發(fā)生破裂。

2.2 故障特征

根據(jù)前文所知，礦井主排水設(shè)備發(fā)生故障，故障就會(huì)表現(xiàn)一些特殊的特征信號(hào)、頻率、相位、振動(dòng)、振幅等[5]。常見(jiàn)礦井主排水設(shè)備故障及相應(yīng)特征信號(hào)、相位、頻率、壓力等參數(shù)詳見(jiàn)表3所示。

表3 常見(jiàn)故障及特征

3 基于物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是全面感知主排水設(shè)備運(yùn)行情況，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行健康評(píng)估，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能主要有：

（1）全面感知

感知層就是在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、歷史工況和目前工況。結(jié)合規(guī)程、設(shè)備使用原則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)記錄、所采集全面信息，進(jìn)行定性和定量分析設(shè)備運(yùn)行特征，綜合、全面掌握“物”的特征情況，就稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。

（2）可靠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)不同信號(hào)特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)技術(shù)傳感器采集信息。當(dāng)無(wú)法使用傳感器采集特征量，就需要硬件收集，相應(yīng)構(gòu)建采集、傳輸與處理一體化可靠的硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（3）壽命管理

為減少水害，需要對(duì)主排水設(shè)備的壽命開(kāi)發(fā)系統(tǒng)管理。采用時(shí)間序列管理方法，處理和挖掘采集到的大量數(shù)據(jù)，分析、綜合比較收集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)和走向，在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)構(gòu)下的應(yīng)用層作用，確定設(shè)備的壽命、故障。

（4）管理軟件

壽命管理系統(tǒng)采用LabVIEW軟件平臺(tái)，選用具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SQL Server操作管理，通過(guò)MATLAB軟件做相應(yīng)數(shù)據(jù)處理、分析。

（5）數(shù)據(jù)庫(kù)接口

物聯(lián)網(wǎng)壽命管理系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)下位機(jī)相互聯(lián)系，在外部成為整個(gè)煤礦的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，必須擁有開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)與其他數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)交換。

3.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)鑲嵌于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)礦井主排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)性質(zhì)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下自動(dòng)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)三層系統(tǒng)研究

4.1 感知層研究

在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的層系統(tǒng)當(dāng)屬感知層。PLC控制基礎(chǔ)上增加采集高頻信號(hào)，以太網(wǎng)與上位機(jī)相互聯(lián)系，形成數(shù)據(jù)采集功能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層，其作用就是根據(jù)采集到的主排水設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析礦井主排水泵是否出現(xiàn)故障。感知層功能的實(shí)現(xiàn)必須有各種傳感器的輔助，感知層各種傳感器及相應(yīng)信號(hào)特征見(jiàn)表4。

4.2 網(wǎng)絡(luò)層研究

將感知層采集到的信號(hào)傳輸便是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層。以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)，增加共享數(shù)據(jù)，通過(guò)OPC運(yùn)作，各個(gè)傳感器、子系統(tǒng)采集到的特征信號(hào)匯聚于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)匯總到應(yīng)用層。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠融合信息，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸，防止數(shù)據(jù)丟失。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下自動(dòng)監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

表4 各種傳感器信號(hào)特征

4.3 應(yīng)用層研究

應(yīng)用層能夠?qū)⒉杉降男盘?hào)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，類似于人的大腦。為自動(dòng)監(jiān)測(cè)礦井主排水設(shè)備工作狀況，開(kāi)發(fā)、編寫(xiě)了礦井主排水設(shè)備健康管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示水泵電流、振動(dòng)信號(hào)、壓力、流量、液位、溫度等。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下上位機(jī)可以測(cè)算出礦井主排水泵特性曲線。

5 結(jié) 論

以礦井中央水泵房為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單介紹了礦井主排水系統(tǒng)。根據(jù)礦井主排水設(shè)備常見(jiàn)故障特征，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有兩大特點(diǎn)：

（1）全面性、系統(tǒng)性、自動(dòng)性。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠根據(jù)主排水設(shè)備故障特征全面采集信號(hào)，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)軟件自動(dòng)預(yù)測(cè)分析主排水設(shè)備故障。

（2）物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)分工明確。物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共由三層系統(tǒng)組成，感知層負(fù)責(zé)采集主排水設(shè)備故障信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，而具有分析功能的應(yīng)用層進(jìn)行處理和反饋信息。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)礦井主排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，不僅節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，還能為設(shè)備的維修提供精準(zhǔn)信號(hào)，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重大的意義。