CN112963373B - 一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置，属于自动化领域。采集主通风机进风口全压值，对达到主通风机临界全压、安全系数综合设定的预警阈值、连续纵向脉动次数进行喘振识别并进行预警、报警输出；采集主通风机电机轴向、径向振动加速度信号进行数字滤波、分析处理后做FFT变换，经过汉宁窗滤波后计算得到频域振动幅值，根据矿用主通风机工作转速、频域谱线宽度、以频域中X1、X2、X3倍频为中心频带内振动幅值综合分析来识别转子不平衡、轴系不对中，对到达设定的阈值后进行预警、报警输出；参数可由上位机配置。
Description
技术领域
本发明属于自动化领域，涉及一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置。
背景技术
煤矿主通风机是保证煤矿安全运行的重要机电设备，是整个矿井的“呼吸”系统。煤矿主通风机主要功能是为煤矿井下作业人员输送新鲜空气，满足井下人员对氧气的需要，稀释、抽出井下有毒有害气体和煤尘、粉尘及降温，保证安全生产，煤矿主通风机一旦故障或停止工作，将会对矿井带来灾难性事故，产生严重的社会影响及巨大的经济损失。矿用轴流式通风机在煤矿广泛应用，对矿用轴流式主通风机重大隐患在线快速识别对保障煤矿安全生产具有重大意义。
现有煤矿基本安装有在线通风监测系统，但系统存在问题：(1)对喘振、转子不平衡、轴系不对中等隐患识别主要依靠人工观察对电流、电压、温度等参数作经验判断，准确性差；(2)基于振动信号的故障诊断系统要求较高的专业技术水平、丰富的故障诊断经验做信号分析，煤矿企业缺乏此类人员，发生故障后需联系相关专家现场排查问题，时效性差，易造成主通风机损坏、停机重大安全事故；(3)基于AI模型的故障诊断系统需要大量样本训练提高准确性，每个矿每台通风机工况千差万别，因此很难获取大量样本支持模型训练，现场适应性不强，系统价格昂贵；(4)目前矿用主通风机故障诊断系统均在上位机实现故障分析，通风机现场仅采集信号和数据传输，一旦现场和上位机通信网络不稳定或故障，就无法在线分析故障并报警，存在安全隐患。
为解决以上问题，急需一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及在线监测装置，现场适应性强、不需要较高的专业技术知识，可离线或在线快速识别矿用轴流式主通风喘振、转子不平衡、轴系不对中隐患并及时预警、报警输出，保障煤矿安全生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置，该方法简单、隐患识别速度快、装置安装部署成本低、使用操作简便、使用效果好，就近安装，通过接入振动传感器、风流压力传感器，可对主通风机喘振、转子不平衡、轴系不对中重大隐患离线、在线快速、准确识别并及时预警、报警输出。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法，该方法包括以下步骤：
S1：监测装置通过RS485获取主通风机进风口处风流压力传感器采集的全压值P，通过上位机设置参数：临界全压值Pmax、预警系数k，采用相对标准进行喘振预警；
S2：在主通风机1、2级电机轴伸端径向和轴向上分别各安装1台振动传感器，监测装置通过高速并行AD采集主通风机振动加速度信号，经过滤波、FFT变换后转换成离散振动速度，并计算均方根后得到振动幅值；监测装置通过上位机最大设置2级电机参数，其中1级电机为：谱线宽度N、工作转速R1、径向和轴向预警系数K1、报警系数K2、正常运行时特征频率f的X1、X2、X3倍频的轴向振动幅值为PAX1、PAX2、PAX3和径向振动幅值为PRX1、PRX2、PRX3；
所述N为正整数，表示在振动频谱上特征频率范围；K1、K2表示转子正常时振动幅值的倍数，K1为3～6；f＝R1/60，频率分辨率为fr，f的X1倍频率范围为：f-Nfr、f-(N-1)fr、……、f-fr、f、f+fr、f+2fr、……、f+Nfr，相应轴向振动幅值范围为：PA(f-Nr)、PA(f-(N-1)fr)、……、PA(f-fr)、PA(f)、PA(f+fr)、PA(f+2r)、……、PA(f+Nr)，相应径向振动幅值范围为：PR(f-N*r)、PR(f-(N-1)fr)、……、PR(f-fr)、PR(f)、PR(f+fr)、PR(f+2fr)、……、PR(f+Nfr)，则
其中2级电机参数和1级电机相同；
S3：识别转子不平衡隐患；
S4：识别轴系不对中隐患。
可选的，所述临界全压值Pmax的范围为(-5.00～0)或(0～5.00)kPa，来自现场风机正常运行时性能曲线中最大风压；
K范围为(0.00～1.00)；
喘振预警条件为：P≥(1-k)Pmax，达到预警条件后输出继电器变为闭合状态；
喘振报警条件为：θ＝f(Pe,t,N(T))，其中Pa为脉动阈值，Pa＝r*Pmax，r为脉动系数，r范围为(0.00～1.00)，根据运行工况确定；
t为单次脉动时间，N(T)为时间T内连续脉动次数，θ为喘振报警结果，θ为0表示正常，θ为1表示喘振，同时输出继电器变为闭合状态；单次脉动表示为时间t内P经历了先小于Pe后大于Pe的过程；参数r、t、T均可通过上位机设置。
可选的，所述S3包括以下步骤：
当矿用轴流式主通风机采用1级电机时：
1)当径向振动的X1倍频振动幅值范围为[PRX1*K1～PRX1*K2)，或X2倍频振动幅值范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)，或X3倍频振动幅值范围为[PRX3*K1～PRX3*K2)，且轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1、X2倍频振动幅值小于PAX2*K1、X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子不平衡隐患、预警，输出继电器为闭合状态；
2)当径向振动的X1倍频振动幅值大于等于PRX1*K2，或X2倍频振动幅值大于等于PRX2*K2，或X3倍频振动幅值大于等于PRX3*K2，且轴向振动的X1倍频小于PAX1*K2、X2倍频小于PAX2*K2、X3倍频小于PAX3*K2时，识别为转子不平衡隐患、报警，输出继电器为闭合状态；
3)当径向振动的X1倍频振动幅值小于PRX1*K1、轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1，且径向振动的X2倍频振动幅值小于PRX2*K1、轴向振动的X2倍频振动幅值小于PAX2*K1，且径向振动的X3倍频振动幅值小于PRX3*K1、轴向振动的X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子为正常，输出继电器为断开状态。
可选的，所述S4具体包括以下步骤：
当矿用轴流式主通风机采用1级电机时：
1)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值范围分别为[PRX1*K1～PRX1*K2)、[PAX1*K1～PAX1*K2)，且X2倍频振动幅值分别范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)、[PAX2*K1～PAX2*K2)，且X3倍频振动幅值范围分别为[PRX3*K1～PRX3*K2)、[PAX3*K1～PAX3*K2)时，识别为轴系不对中隐患、预警，输出继电器变为闭合状态；
2)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别大于等于PRX1*K2、PAX1*K2，且X2倍频振动幅值分别大于等于PRX2*K2、PAX2*K2，且X3倍频振动幅值分别大于等于PRX3*K2、PAX3*K2时，识别为轴系不对中隐患、报警，输出继电器为闭合状态；
3)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别小于PRX1*K1、PAX1*K1，且X2倍频振动幅值分别小于PRX2*K1、PAX2*K1，且X3倍频振动幅值分别小于PRX3*K1、PAX3*K1时，识别为轴系为正常，输出继电器为断开状态。
一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别监测装置，包括信号调理模块、AD模块、RS485接口模块、FPGA、以太网接口模块和LED显示模块；
信号调理模块的一端连接至矿用轴流式主通风机的加速度传感器，另一端连接至AD模块；4个AD模块对应16路加速度传感器；
RS485接口模块的一端连接至矿用轴流式主通风机的风压传感器，另一端连接至FPGA；
FPGA还分别与LED显示模块和以太网接口模块连接；
以太网接口模块连接与上位机相连。
可选的，所述FPGA包括并行采集模块和NIOSII核；
并行采集模块与NIOSII核相连。
可选的，所述以太网接口模块上传喘振、转子不平衡、轴系不对中隐患识别结果及振动加速度、风压数据到上位机，上位机在线展示和存储图分析谱。
本发明的有益效果在于：本发明公开的一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置，可在煤矿主通风机附近安装，在线采集进风口全压、振动信号，通过喘振、转子不平衡、轴系不对中隐患识别方法，不需要上位机就能快速、准确检测到主通风机故障，实现及时、准确预警、报警输出，减少煤矿轴流式主通风机故障发生、非计划停机时间，保障煤矿安全生产。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的一种矿用轴流主通风机隐患快速识别方法流程示意图；
图2为本发明的矿用轴流主通风机隐患监测装置连接示意图；
图3为本发明的矿用轴流式主通风机喘振预警、报警识别方法流程示意图；
图4为本发明的矿用轴流式主通风机1级电机转子不平衡预警、报警识别方法流程示意图；
图5为本发明的矿用轴流式主通风机1级电机轴系不对中预警、报警识别方法流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明是一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法及监测装置，其快速识别方法如图1所示，采集主通风机进风口全压值，对达到主通风机临界全压、安全系数综合设定的预警阈值、连续纵向脉动次数进行喘振识别并进行预警、报警输出；采集主通风机电机轴向、径向振动加速度信号进行数字滤波、分析处理后做FFT变换，经过汉宁窗滤波后计算得到频域振动幅值，根据矿用主通风机工作转速、频域谱线宽度、以频域中X1、X2、X3倍频为中心频带内振动幅值综合分析来识别转子不平衡、轴系不对中，对到达设定的阈值后进行预警、报警输出；参数可由上位机配置。
如图2所示，本发明所述的监测装置本发明监测装置主要由信号调理模块、高精度AD模块、FPGA、RS485接口模块、以太网接口模块、LED显示模块构成。监测装置通过以太网口自动上传喘振、转子不平衡、轴系不对中隐患识别结果及振动加速度、风压数据到上位机，上位机可在线展示、存储、图谱分析等，上位机也可通过所述监测装置以太网口获取数据或配置参数。本专利所述监测装置可识别16个振动传感器采集通道断线状态并显示其状态，当采集通道未连接振动传感器时，该通道led指示灯熄灭，当采集通道接入振动传感器时，该通道led指示灯常亮红色；16个通道状态通过以太网通信传输给上位机。
如图3所示，喘振识别方法识别方法为：
所述监测装置通过RS485获取主通风机进风口处风流压力传感器采集的全压值P，通过上位机设置参数：临界全压值Pmax、预警系数k，采用相对标准进行喘振预警、报警判断。Pmax范围为(-5.00～0)或(0～5.00)kPa，来自现场风机正常运行时性能曲线中最大风压；K范围为(0.00～1.00)，通常设为(0.1～0.2)；喘振预警条件为：P≥(1-k)Pmax，达到预警条件后输出继电器变为闭合状态。喘振报警条件为：θ＝f(Pe,t,N(T))，其中Pa为脉动阈值，Pa＝r*Pmax，r为脉动系数，r范围为(0.00～1.00)，根据运行工况确定，通常设为(0.3～0.5)，t为单次脉动时间，N(T)为时间T内连续脉动次数，θ为喘振报警结果，θ为0表示正常，θ为1表示喘振，同时输出继电器变为闭合状态；单次脉动表示为时间t内P经历了先小于Pe后大于Pe的过程；参数r、t、T均可通过上位机设置。
如图4所示，以矿用轴流式主通风机1级电机为例，转子不平衡隐患识别方法步骤为：
1)当径向振动的X1倍频振动幅值范围为[PRX1*K1～PRX1*K2)，或X2倍频振动幅值范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)，或X3倍频振动幅值范围为[PRX3*K1～PRX3*K2)，且轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1、X2倍频振动幅值小于PAX2*K1、X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子不平衡隐患、预警，输出继电器为闭合状态。
2)当径向振动的X1倍频振动幅值大于等于PRX1*K2，或X2倍频振动幅值大于等于PRX2*K2，或X3倍频振动幅值大于等于PRX3*K2，且轴向振动的X1倍频小于PAX1*K2、X2倍频小于PAX2*K2、X3倍频小于PAX3*K2时，识别为转子不平衡隐患、报警，输出继电器为闭合状态。
3)当径向振动的X1倍频振动幅值小于PRX1*K1、轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1，且径向振动的X2倍频振动幅值小于PRX2*K1、轴向振动的X2倍频振动幅值小于PAX2*K1，且径向振动的X3倍频振动幅值小于PRX3*K1、轴向振动的X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子为正常，输出继电器为断开状态。
如图5所示，以矿用轴流式主通风机1级电机为例，轴系不对中隐患识别方法步骤为：
1)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值范围分别为[PRX1*K1～PRX1*K2)、[PAX1*K1～PAX1*K2)，且X2倍频振动幅值分别范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)、[PAX2*K1～PAX2*K2)，且X3倍频振动幅值范围分别为[PRX3*K1～PRX3*K2)、[PAX3*K1～PAX3*K2)时，识别为轴系不对中隐患、预警，输出继电器变为闭合状态。
2)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别大于等于PRX1*K2、PAX1*K2，且X2倍频振动幅值分别大于等于PRX2*K2、PAX2*K2，且X3倍频振动幅值分别大于等于PRX3*K2、PAX3*K2时，识别为轴系不对中隐患、报警，输出继电器为闭合状态。
3)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别小于PRX1*K1、PAX1*K1，且X2倍频振动幅值分别小于PRX2*K1、PAX2*K1，且X3倍频振动幅值分别小于PRX3*K1、PAX3*K1时，识别为轴系为正常，输出继电器为断开状态。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：监测装置通过RS485获取主通风机进风口处风流压力传感器采集的全压值P，通过上位机设置参数：临界全压值Pmax、预警系数k，采用相对标准进行喘振预警；
S2：在主通风机1、2级电机轴伸端径向和轴向上分别各安装1台振动传感器，监测装置通过高速并行AD采集主通风机振动加速度信号，经过滤波、FFT变换后转换成离散振动速度，并计算均方根后得到振动幅值；监测装置通过上位机最大设置2级电机参数，其中1级电机为：谱线宽度N、工作转速R1、径向和轴向预警系数K1、报警系数K2、正常运行时特征频率f的X1、X2、X3倍频的轴向振动幅值为PAX1、PAX2、PAX3和径向振动幅值为PRX1、PRX2、PRX3；
谱线宽度N为正整数，表示在振动频谱上特征频率范围；K1、K2表示转子正常时振动幅值的倍数，K1为3～6；f＝R1/60，频率分辨率为fr，f的X1倍频率范围为：f-Nfr、f-(N-1)fr、……、f-fr、f、f+fr、f+2fr、……、f+Nfr，相应轴向振动幅值范围为：PA(f-Nfr)、PA(f-(N-1)fr)、……、PA(f-fr)、PA(f)、PA(f+fr)、PA(f+2fr)、……、PA(f+Nfr)，相应径向振动幅值范围为：PR(f-Nfr)、PR(f-(N-1)fr)、……、PR(f-fr)、PR(f)、PR(f+fr)、PR(f+2fr)、……、PR(f+Nfr)，则
其中2级电机参数和1级电机相同；
S3：识别转子不平衡隐患；
S4：识别轴系不对中隐患；
所述临界全压值Pmax的范围为(-5.00～0)或(0～5.00)kPa，来自现场风机正常运行时性能曲线中最大风压；
预警系数k范围为(0.00～1.00)；
喘振预警条件为：P≥(1-k)Pmax，达到预警条件后输出继电器变为闭合状态；
喘振报警条件为：θ＝f(Pe,t,N(T))，其中Pe为脉动阈值，Pe＝r*Pmax，r为脉动系数，r范围为(0.00～1.00)，根据运行工况确定；
t为单次脉动时间，N(T)为时间T内连续脉动次数，θ为喘振报警结果，θ为0表示正常，θ为1表示喘振，同时输出继电器变为闭合状态；单次脉动表示为时间t内P经历了先小于Pe后大于Pe的过程；参数r、t、T均可通过上位机设置。
2.根据权利要求1所述的一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法，其特征在于：所述S3包括以下步骤：
当矿用轴流式主通风机采用1级电机时：
1)当径向振动的X1倍频振动幅值范围为[PRX1*K1～PRX1*K2)，或X2倍频振动幅值范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)，或X3倍频振动幅值范围为[PRX3*K1～PRX3*K2)，且轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1、X2倍频振动幅值小于PAX2*K1、X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子不平衡隐患、预警，输出继电器为闭合状态；
2)当径向振动的X1倍频振动幅值大于等于PRX1*K2，或X2倍频振动幅值大于等于PRX2*K2，或X3倍频振动幅值大于等于PRX3*K2，且轴向振动的X1倍频小于PAX1*K2、X2倍频小于PAX2*K2、X3倍频小于PAX3*K2时，识别为转子不平衡隐患、报警，输出继电器为闭合状态；
3)当径向振动的X1倍频振动幅值小于PRX1*K1、轴向振动的X1倍频振动幅值小于PAX1*K1，且径向振动的X2倍频振动幅值小于PRX2*K1、轴向振动的X2倍频振动幅值小于PAX2*K1，且径向振动的X3倍频振动幅值小于PRX3*K1、轴向振动的X3倍频振动幅值小于PAX3*K1时，识别为转子为正常，输出继电器为断开状态。
3.根据权利要求2所述的一种矿用轴流式主通风机隐患快速识别方法，其特征在于：所述S4具体包括以下步骤：
当矿用轴流式主通风机采用1级电机时：
1)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值范围分别为[PRX1*K1～PRX1*K2)、[PAX1*K1～PAX1*K2)，且X2倍频振动幅值分别范围为[PRX2*K1～PRX2*K2)、[PAX2*K1～PAX2*K2)，且X3倍频振动幅值范围分别为[PRX3*K1～PRX3*K2)、[PAX3*K1～PAX3*K2)时，识别为轴系不对中隐患、预警，输出继电器变为闭合状态；
2)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别大于等于PRX1*K2、PAX1*K2，且X2倍频振动幅值分别大于等于PRX2*K2、PAX2*K2，且X3倍频振动幅值分别大于等于PRX3*K2、PAX3*K2时，识别为轴系不对中隐患、报警，输出继电器为闭合状态；
3)当径向、轴向振动的X1倍频振动幅值分别小于PRX1*K1、PAX1*K1，且X2倍频振动幅值分别小于PRX2*K1、PAX2*K1，且X3倍频振动幅值分别小于PRX3*K1、PAX3*K1时，识别为轴系为正常，输出继电器为断开状态。
4.基于权利要求1～3中任一项所述识别方法的矿用轴流式主通风机隐患快速识别监测装置，其特征在于：包括信号调理模块、AD模块、RS485接口模块、FPGA、以太网接口模块和LED显示模块；
信号调理模块的一端连接至矿用轴流式主通风机的加速度传感器，另一端连接至AD模块；4个AD模块对应16路加速度传感器；
RS485接口模块的一端连接至矿用轴流式主通风机的风压传感器，另一端连接至FPGA；
FPGA还分别与LED显示模块和以太网接口模块连接；
以太网接口模块与上位机相连。
5.根据权利要求4所述的矿用轴流式主通风机隐患快速识别监测装置，其特征在于：所述FPGA包括并行采集模块和NIOSII核；
并行采集模块与NIOSII核相连。
6.根据权利要求5所述的矿用轴流式主通风机隐患快速识别监测装置，其特征在于：所述以太网接口模块上传喘振、转子不平衡、轴系不对中隐患识别结果及振动加速度、风压数据到上位机，上位机在线展示和存储图分析谱。
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