CN102749910A

CN102749910A - 煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统

Info

Publication number: CN102749910A
Application number: CN2012102036225A
Authority: CN
Inventors: 孟祥忠; 王公华; 张墩福; 朱述川
Original assignee: QINGDAO FUDIER ELECTRIC AUTOMATION CO Ltd
Current assignee: Yanzhou Coal Industry Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102749910B

Abstract

本发明涉及一种煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，其特征是：包括风井分站、主控系统、远程诊断系统、无线采集模块和网络服务站，所述无线采集模块包括基站和节点，所述节点包括振动温度传感器、DSP数据处理板和无线收发模块，所述无线收发模块通过无线网络与基站相连接，所述基站通过地面环网与主控系统相连接，所述主控系统、风井分站、远程诊断系统和网络服务站通过地面环网相互连接在一起。本发明网络中所有无线节点都与基站进行双向通信，各节点间并不通信。星型网络较其他两种网络具有整体功耗最低、容易移动、易于扩展等优点。

Description

煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统

技术领域

本发明属于网络技术领域，具体涉及一种煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统。

背景技术

煤矿机电设备群是煤矿生产行业的重要装备和物质基础，并且设备数量多，功率大。这些设备一旦发生故障停机，轻者影响产量，重者将会造成重大人员伤亡事故。因此，大型关键设备的安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行不仅关系到企业的经济效益，而且关系到矿井生产安全和社会和谐。目前一些大型机电设备即使配置一些故障后备保护功能，或开展离线仪器仪表巡检方式，但其缺陷仍然存在：一方面，要投入大量的人力物力；另一方面，由于对设备的巡检周期较长，运行人员和管理人员都不能实时了解设备的运行状态，设备故障无法在早期发现，从而错过处理问题的最佳时机。特别地，煤矿某些场合，由于环境、位置等原因限制，难以进行人工巡检。目前，英、美各国在众多行业广泛开展设备异常状态辨识与预警技术的应用研究，具有领先地位。而日本则在民用行业，如钢铁、化工等行业发展较快，占有明显优势。据调研，目前国内机电设备异常状态辨识与预警技术也得到广泛重视和发展，在航空、交通、石化等行业应用广泛。但是，在煤矿行业起步较晚，技术还不成熟，特别是基于无线传感器网络技术的在线煤矿大型机电设备群异常运行状态辨识与预警网络化系统基本还没有产品出现。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出了一种煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，所述系统以现代科学中的系统论、控制论、可靠性理论、失效理论等为理论基础，以无线传感器网络为技术手段，研制一套在线煤矿大型机电设备群异常运行状态辨识与预警网络化系统。该系统结合监测对象的特殊性，有针对性地对各关键运行状态参数进行连续监测，对设备做出适时评价，对故障提前预警并做出诊断，使企业对设备的维修管理从计划性维修、事故性维修逐步过渡到以状态监测为基础的预防性维修，提高了煤矿设备管理现代化水平，创造出巨大的经济效益。所述系统数据采集部分是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。其特别适合于部署在矿井这样环境恶劣、高度危险的区域内。

本发明的技术方案为：一种煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，包括风井分站、主控系统、远程诊断系统、无线采集模块和网络服务站，所述无线采集模块包括基站和节点，所述节点包括振动温度传感器、DSP数据处理板和无线收发模块，所述无线收发模块通过无线网络与基站相连接，所述基站通过地面环网与主控系统相连接，所述主控系统、风井分站、远程诊断系统和网络服务站通过地面环网相互连接在一起。

所述无线收发模块设有一个可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，使其数据的传输速率达到500kbps。

远程诊断系统是以无线采集模块在线监测机组的数据为基础，根据在线监测所获得的振动信号、过程参数等实时数据，根据主控系统中信号分析模块的分析结果，提取反映机组运行状态的特征数据，并结合机组历史故障档案进行综合分析，对发生故障的机组进行诊断。

所述远程诊断系统设有预警处理模块，预警处理模块是将各通道采集处理后的数据与诊断标准进行比较，判断设备是否处于正常运行状态。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明机电设备安全运行寿命延长效果，不小于25％；

2、本发明维修次数和维修费用减少50％；

3、本发明无线传感器网络覆盖半径大于50米；

4、本发明无线传感器网络能耗控制与协议合理性；

5、本发明异常状态辨识与故障特征量识别误差小于0.5％；

6、本发明异常运行状态辨识与预警系统正确率大于99.5％；

7、本发明无限传感器网络基站具有以太网通信接口及标准通信协议，并可直接与煤矿光纤以太环网无缝联网；

8、本发明网络中所有无线节点都与基站进行双向通信，各节点间并不通信。星型网络较其他两种网络具有整体功耗最低、容易移动、易于扩展等优点；

9、本发明采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。其特别适合于部署在矿井这样环境恶劣、高度危险的区域内。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明无线传感器网络组成原理框图。

图2为本发明网络节点结构示意图。

图3为本发明网络节点内部原理框图。

图4为本发明DSP数据处理板组成示意图。

图5为本发明基站结构示意图。

图6为本发明系统结构框图。

图7为本发明在线振动监测与故障诊断技术路线示意图。

图8为本发明预警处理流程示意图。

图中，1、节点；2、基站；3、地面监测主站；4、振动温度传感器；5、DSP数据处理板；6、无线收发模块；7、电池电源；8、SRAM模块；9、电源；10、TMS320F2812芯片；11、数字1/0接口；12、八路ADC；13、RS485/422接口；14、JTAG；15、射频模块；16、MSP430F1611芯片；17、电源；18、以太网接口；19、USB；20、RS232接口；21、主控系统；22、远程诊断系统；23、风井分站；24、地面环网；25、网络服务站；26、待检设备；27、典型特征；28、故障诊断；29、设备维修；30、监测特征；31、通道报警；32、FFT变换；33、特征提取；34、故障诊断；35、记录事件；36、显示打印。

具体实施方式：

参见图1至图8所示，本发明包括风井分站23、主控系统21、远程诊断系统22、无线采集模块和网络服务站25，所述无线采集模块包括基站2和节点1，所述节点1包括振动温度传感器4、DSP数据处理板5和无线收发模块6，所述无线收发模块6通过无线网络与基站2相连接，所述基站2通过地面环网24与主控系统21相连接，所述节点1由电池电源7供电，地面环网24为以太网网络，所述主控系统21包含地面监测主站3，所述主控系统21、风井分站23、远程诊断系统22和网络服务站25通过地面环网24相互连接在一起。

所述无线收发模块6设有一个可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，使其数据的传输速率达到500kbps。

远程诊断系统22是以无线采集模块在线监测机组的数据为基础，根据在线监测所获得的振动信号、过程参数等实时数据，根据主控系统21中信号分析模块的分析结果，提取反映机组运行状态的特征数据，并结合机组历史故障档案进行综合分析，对发生故障的机组进行诊断。

引起机器故障和失效的原因是多方面的。故障诊断子系统是以机组的在线监测为基础，根据在线监测所获得的振动信号、过程参数等实时数据，根据信号分析诊断服务器中信号分析模块的分析结果，提取反映机组运行状态的特征数据，并结合领域专家知识和机组历史故障档案进行综合分析，对发生故障的机组进行诊断，确定故障的部位、原因、类型、性质，并提供维修的参考建议。振动监测与故障诊断技术路线示意图如图7所示，诊断步骤包括待检设备26、典型特征27、故障诊断28、设备维修29、监测特征30。

所述远程诊断系统22设有预警处理模块，预警处理模块是将各通道采集处理后的数据与诊断标准进行比较，从通道报警31、FFT变换32、特征提取33、故障诊断34、记录事件35，最后到显示打印36，判断设备是否处于正常运行状态。

本发明适用于矿井应用领域，如矿井通风机系统、皮带运输机设备都是由转动部件和非转动部件构成的，转动部件包括转子及与转子连接的联轴器、齿轮等；非转动部件包括各类轴承、轴承座、机壳及基座等。它们的状态特征参量以振动参数为主，同时兼顾温度、压力等工艺参数及电压、电流等电量参数。振动测试有其特殊性，一是其振动一般呈现很强的周期性，二是对这些大型设备来讲，其振动测试的主要对象是转动部件，即转轴。状态监测主要是针对这些特点来进行。当设备发生异常或出现故障时，一般情况下其振动情况都会发生变化中，如振动幅值变化、振动频率变化、振动相位变化、振动方向变化等，经过多年的试验和研究，人们发现旋转机械的这一特征尤为明显，因此与振动有关的参数被广泛地作为表征旋转机械的状态特征参量。①振幅是描述设备振动大小的一个重要参数。运行正常的设备，其振动幅值通常稳定在一个允许范围内，如果振幅发生了变化，便意味着设备的状态有了变化。因此对振幅的监测可以用来判断设备的运行状态。振幅可以分为位移振幅、速度振幅、加速度振幅。②振动频率可分为基频(周期的倒数)和倍频(各次谐波频率)，它是描述机器状态的另一个特征参量，也是测量和分析的主要参数。因为特定的振动频率往往对应一定的故障，所以对振动频率的监测和分析在评定设备状态过程中是必不可少的。③相位。许多设备故障单从幅值谱图上判断是不易区分的，这时需要对相位信息进行进一步的分析，以做出正确判断。由于转子各类故障给转子带来的直接结果是破坏了转子的对称性，使转子同一截面上水平和垂直方向的振动信号在时域上的相位差不再是90度，因此可能通过同一截面上水平方向信号和垂直方向信号的相位差的不同特征来判断故障的类型。实际上，除了在同一截面不同方向上测量相位差外，还可通过不同测点的信号相位差来判断故障的类型。④时域波形。实际上综合反映了振动信号的振幅、频率和相位。用时域波形来表示振动情况最简单、直观，并且通过对时域波形的观察，也可以判断出一些常见的故障，例如不对中、碰磨故障，其时域波形就有明显的特征。⑤轴心轨迹，轴心轨迹实际上是轴心上一点相对于轴承座的运动轨迹，它形象直观地反映了转子的实际运动情况。通过对轴心轨迹的观察，也可以判断出一些常见的故障。⑥温度。⑦电流、电压等电量参数，在由电动机驱动的大型机电设备中，对电流、电压等电量参数的监测非常重要，因为这些参数直接表征了设备的运行状态，同时对设备故障的诊断非常有用。

节点1不是越多越好，要以最少的传感器，最灵敏的测出整个机电设备组的工况，要确定必不可少的节点1，这就需要对整个机组的结构特性作全面了解并认真分析。对于大型旋转设备，在进行测点布局时要兼顾经济、效率等方面的要求，以能够捕捉机组的故障为前提，合理安排测点。对于机壳上的振动测量，测点的选择应考虑环境因素，避免选择高温、高湿度、出风口和温度变化剧烈的地方作为节点1，以保证测量的有效性。为降低系统成本，对于高频的随机振动和冲击振动可以只确定一个方向为节点1。但对于低频段的确定性振动必须同时测量水平和垂直两个方向，必要时还应增加轴向测点。被测振动参量相互间的关系。振动测试的主要指标是振幅，振幅是指振动物体偏离平衡位置的最大距离。可以用加速度、速度、位移来表示。加速度值可由速度的一次微分或位移的二次微分来求得。加速度的一次积分为速度，二次积分为位移，多数测振仪中都具有积分电路。很显然，速度与加速度都是与频率有关的。如果位移是一定，则速度将随频率增加而增加，而加速度将随频率的平方而增加。如果加速度是一定的，则速度将随频率增加而减小，而位移将随频率的平方而减小。为了获得对故障敏感的测量参数，应根据故障的特征频率来选择相应的测量参数。同样，加速度、速度和位移之间存在着相位差，分别为π/2和π。也就是说加速度比速度超前90°，比位移超前180°。两个不同的振动源都会有各种的相位。相同的相位可能引起合拍共振，产生严重后果。如果相位相反，则可能引起振动抵消，起到减振作用。因此，相位也是振动特征的重要信息。对于谐波分析、动平衡测量、振动类型测量和判断共振点时，应保证振幅测量和相位测量的准确性。

在测试前和测试中需要考虑和注意以下因素。①了解测试对象的原理和结构，是否存在外来激励振动，可能出现的故障及故障反映在哪些部位，哪些参数的变化上最为敏感。②了解被测对象的运行状况，例如，易发故障，曾经发生过的故障记录。③确定满足测量的目的需要哪些数据，应对哪些参量进行测定。④估计被测对象的振动类型、振级和可能产生的最低和最高频率，同时根据环境条件(如温度、湿度、电磁场等)确定传感器类型及其相配套的中间变换器和显示记录仪器。⑤画出测试系统的工作框图及仪器的连接草图，标出所用仪器的型号和序号，以便测试系统的安装、校准和编制测试报告。⑥确定传感器的安装位置、方法以及安装固定件结构，评价是否会因传感器附加质量的影响对测试对象造成影响(例如：改变原有振动频率、振幅)。⑦测试过程中应对测试环境做出详细记录，以便在数据分析时参考和及时发现一些偶然因素。⑧在测试过程中应经常检查测试系统的“背景噪声”，在分析时去掉这部分因素。⑨对测量数据进行处理和分析时，应查阅测试过程的原始记录，如有特殊影响因素，应采取手段消除其影响或剔除混有伪信号的数据，以保证得到正确的结果。

DSP数据处理板5具有高速率、高精度、高可靠性，包括SRAM模块8、电源9、TMS320F2812芯片10、数字1/0接口11、八路ADC 12、RS485/422接口13和JTAG 14，它最适合完成数字算法和系统控制。要求具有硬件看门狗设计，程序死机可自动重新启动，A/D接口，高达150K的采样频率，数据实时控制及处理。电源、电池双供电模式，方便不同现场使用。支持RS485通信，低功耗、高可靠性、体积小，适合于嵌入式内置和设备集成，尤其适合于电池供电的设备，方便外接各类传感器，满足监测需求。

如图5所示，基站2包括射频模块15、MSP430F1611芯片16、电源17、以太网接口18、USB 19和RS232接口20，MSP430F1611芯片16是16位的单片机，具有较高的性能，功耗低，工作电压1.8-3.6v。以太网接口18直接与矿井工业光纤环网接口与地面上位机通信。

在一些传感器与数据采集分站直接连线受到限制的场合、硐室或采掘区域，机电设备状态监测可以采用本方式。节点1部署在监测区域内，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。其特别适合于部署在矿井这样环境恶劣、高度危险的区域内。良好的通信协议是无线系统可靠通信的前提，考虑到系统的性能、可靠性及功耗，底层射频通信网络要选择合适的拓扑结构。这是无线通讯协议设计的基础。本发明采用星型网络。星型网络是一个单跳系统，网络中所有节点1都与基站2进行双向通信，各节点1间并不通信。星型网络较其他两种网络具有整体功耗最低、容易移动、易于扩展等优点，但是节点1与基站2间的通信距离取决于单个节点1的无线信号覆盖范围。

Claims

1.一种煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，其特征是：包括风井分站、主控系统、远程诊断系统、无线采集模块和网络服务站，所述无线采集模块包括基站和节点，所述节点包括振动温度传感器、DSP数据处理板和无线收发模块，所述无线收发模块通过无线网络与基站相连接，所述基站通过地面环网与主控系统相连接，所述主控系统、风井分站、远程诊断系统和网络服务站通过地面环网相互连接在一起。

2.根据权利要求1所述的煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，其特征是：所述无线收发模块设有一个可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，使其数据的传输速率达到500kbps。

3.根据权利要求1或2所述的煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，其特征是：远程诊断系统是以无线采集模块在线监测机组的数据为基础，根据在线监测所获得的振动信号、过程参数等实时数据，根据主控系统中信号分析模块的分析结果，提取反映机组运行状态的特征数据，并结合机组历史故障档案进行综合分析，对发生故障的机组进行诊断。

4.根据权利要求3所述的煤矿机电设备群异常运行状态辨识与预警系统，其特征是：所述远程诊断系统设有预警处理模块，预警处理模块是将各通道采集处理后的数据与诊断标准进行比较，判断设备是否处于正常运行状态。