CN113446252A - 一种矿用通风机故障预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全监测监控技术领域，具体涉及矿用通风机故障预警方法，该方法分别在横向、纵向和轴向三个方向采集矿用通风机的振动信号，分析振动信号的强度、频谱特征及相关性，识别通风机机械系统典型故障；采用PT100、DS18B20等多种温度监测方式采集通风机温度信号，解决通风机轴承类故障的识别和预警问题；采用GSM无线通信方式传送故障信息，保证故障信息实时高效传送。本发明具有测点数量多、故障识别类型丰富、温度信号测量精准、预警方式灵活高效等特点，可以实现矿用通风机健康状态的综合监测与评估，为煤矿现场矿用通风机实时故障预警提供了有效的技术解决方案。

Description

一种矿用通风机故障预警方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全监测监控技术领域，具体涉及一种矿用通风机故障预警方法。

背景技术

矿用通风机是煤矿生产的重要机电设备，它起到通风换气和瓦斯防治的作用，其稳定运行对于保障矿井安全生产具有重要意义。然而矿用通风机是一个复杂的机电系统，由风机、主电机、联轴器及电控系统等组成，其在长期运行过程中难免会出现各种故障。实时监测矿用通风机的运行状态，健康评估并故障预警，是保障矿用通风机安全稳定运行的重要方法。

目前，矿用通风机故障监测的常用方法主要有两种，电参数分析法和轴温分析法。前者通过采集主电动机的电压、电流、功率等电气参数，结合故障识别算法，实现电动机过压、欠压、过载、堵转、短路、接地、断相等各类电气故障的识别与预警；后者采用通风机预埋的温度传感器，实时感知轴承温度的变化规律，实现轴承异常、润滑不良、安装偏心或倾斜等轴承故障的识别与预警。这两种方法在技术上相对成熟，但故障识别的种类有限，仅能在一定程度上解决矿用通风机故障预警的问题。此外，目前的故障预警技术多采用本地声光报警或有线通信报警方式，当故障发生时，很难保证报警信息及时有效地传递给管理及维护人员。

矿用通风机故障产生的原因、机理极其复杂，故障特征也各不相同。传统的故障预警方法，依据单一故障指标的变化规律，识别特定故障并安全预警，故障识别的类型有限，无法实现通风机健康状态的综合监测与评估。

基于此，本发明设计了一种矿用通风机故障预警方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿用通风机故障预警方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种矿用通风机故障预警方法，包括矿用通风机和矿用通风机故障预警系统，矿用通风机故障预警系统具有振动和温度分析功能，矿用通风机故障预警系统用于实时监测故障信号，并GSM远程无线预警，矿用通风机故障预警系统共布置五个故障监测点，包括纵向振动监测点1、横向振动监测点2、轴向振动监测点3、轴承温升监测点4和主电机温升监测点5，矿用通风机故障预警系统包括振动分析系统和温度监测与预警系统。

进一步的，振动分析系统包括测试计算机、振动监测分析模块、宽范围振动传感器和人机接口，振动监测分析模块采用USB接口与测试计算机相连，实时上传通风机振动信号采集数据，该模块支持四个通道同步采样，支持多种振动时域频域分析算法，振动传感器负责通风机振动信号的感知，采用三个工业型宽范围加速度传感器分别在横向、纵向和轴向三个方向感知振动信息，测试计算机上加载有基于VC++6.0开发的振动分析软件，分析振动信号的强度、频谱结构及相关性，识别通风机各类典型机械故障。

进一步的，振动分析系统采用“频域分析+时域分析”的诊断策略，通过对振动信号的频谱特征、强度及相关性分析，完成矿用通风机机械类故障的识别，并利用RS485通信与温度监测与预警系统交互信息，实现GSM远程无线预警。

进一步的，温度监测与预警系统包括STC单片机、PT100温度监测模块、DS18B20温度监测模块、SIM900A模块和GSM报警模块，温度监测与预警系统负责通风机温升信号的实时监测与预警，PT100温度监测模块包括PT100温度传感器，PT100温度传感器位于矿用通风机的轴承表面，PT100温度传感器采集轴承温度信号，并采用精密恒流源、程控增益放大、分段线性插值技术，保证轴承温度信号的高精度测量。

进一步的，DS18B20温度监测模块包括DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器位于矿用通风机的主电机表面，DS18B20温度传感器采用单总线通信技术实时监测主电机的温升信号，为主电机故障预警提供可靠的测量数据。

进一步的，所有故障信息均以GSM通信方式远程无线预警，在STC单片机控制下，由SIM900A模块以GSM通信方式完成故障预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明测点数量多，故障识别类型丰富，可以实现矿用通风机健康状态的综合监测与评估；采用GSM无线通信方式远程预警，保证故障信息实时高效传送；振动分析系统支持四通道同步采样，支持多种振动时域频域分析算法，可以有效识别通风机各类典型机械故障；采用精密恒流源、程控增益放大、分段线性插值等多种技术，保证轴承温度信号的高精度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明矿用通风机故障预警系统结构图；

图2为本发明故障监测点布置图；

图3为本发明故障预警算法流程图；

图4为本发明PT100温度监测模块电路原理图；

图5为本发明PT100温度曲线；

图6为本发明GSM报警模块电路原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、纵向振动监测点；2、横向振动监测点；3、轴向振动监测点；4、轴承温升监测点；5、主电机温升监测点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供一种技术方案：一种矿用通风机故障预警方法，包括矿用通风机和矿用通风机故障预警系统，矿用通风机故障预警系统具有振动和温度分析功能，矿用通风机故障预警系统采集通风机振动、温度信号，矿用通风机故障预警系统用于实时监测故障信号，并通过GSM报警模块以无线通信方式传送故障信息，完成矿用通风机实时故障监测与预警，矿用通风机故障预警系统包括振动分析系统和温度监测与预警系统；

参照图2，矿用通风机故障预警系统共布置五个故障监测点，包括纵向振动监测点1、横向振动监测点2、轴向振动监测点3、轴承温升监测点4和主电机温升监测点5，采用时域、频域分析技术，综合分析五个监测信号，有效提取故障信息。

参照图1，振动分析系统包括测试计算机、振动监测分析模块、宽范围振动传感器和人机接口，负责通风机振动信号的实时监测与分析。振动监测分析模块采用USB接口与测试计算机相连，实时上传通风机振动信号采集数据，该模块内部集成高性能处理器，支持高精度、高采样率、宽动态范围数据采集功能，测量通道内置高精度激励电流源及信号调理电路，支持四个通道同步采样，支持多种振动时域频域分析算法，为后续振动相关性分析提供相位信息；

振动传感器负责通风机振动信号的感知，采用三个工业型宽范围加速度传感器分别在横向、纵向和轴向三个方向感知振动信息，将矿用通风机运行的振动信号转换为电信号，供后续采样和处理；

测试计算机上加载有基于VC++6.0开发的振动分析软件，采集矿用通风机的振动信号，实时显示振动波形并计算振动强度，支持多种振动时域频域分析算法，分析振动信号的强度、频谱结构及相关性，识别通风机各类典型机械故障；

振动分析系统采用RS485通信与温度监测与预警系统交互信息，上传故障信息，并利用GSM报警模块实现通风机机械类故障的远程无线预警。

参照图3，振动分析系统采用“频域分析+时域分析”的诊断策略，通过对振动信号的频谱特征、强度及相关性分析，完成矿用通风机机械类故障的识别与预警。

参照图1，温度监测与预警系统包括STC单片机、PT100温度监测模块、DS18B20温度监测模块、SIM900A模块和GSM报警模块，温度监测与预警系统负责通风机温升信号的实时监测与预警。

参照图4，PT100温度监测模块包括PT100温度传感器，PT100温度传感器位于矿用通风机的轴承表面，用于处理轴承温升信号，PT100温度传感器采集轴承温度信号，并采用精密恒流源、程控增益放大、分段线性插值技术，保证轴承温度信号的高精度测量，利用PT100温度监测模块将-40～150℃通风机轴承温度信号转换为1.68～3.2V直流电压信号，供STC单片机采样处理；

精密恒流源电路由LM358集成运放及外围电路组成，提供2mA的恒定测试电流，将PT100的阻值转换为电压，供后续处理，通过调整电阻R2的阻值，可以修改恒定测试电流的大小，以适应不同的检测需求；

程控增益放大电路采用仪表放大器AD620设计，将PT100输出的双端低电压信号，转换为单端电压信号，放大并送单片机采样处理，增益系数由电阻RG决定，本设计增益系数为10。

参照图5，每隔10℃规划一个分度点，采用标定测量技术提取PT100温度曲线，基于提取的PT100温度曲线和采集的实时电压，STC单片机采用“相邻分度点+线性插值”算法分段求解轴承实时温度信号，提高轴承温升的测量精度，设(V1，T1)、(V2，T2)为PT100相邻分度点，V_X为实测电压值，则按下方公式(1)插值计算得到实时轴温T_X：

参照图1，DS18B20温度监测模块包括DS18B20温度传感器，DS18B20温度传感器位于矿用通风机的主电机表面，DS18B20温度传感器采用单总线通信技术实时监测主电机的温升信号，为主电机故障预警提供可靠的测量数据。

GSM报警模块电路原理如图6所示，包括开机控制电路、电平转换电路和GSM模块电路三部分，所有故障信息均以GSM通信方式远程无线预警，在STC单片机控制下，由SIM900A模块以GSM通信方式完成故障预警。当系统发生故障时，STC单片机控制SIM900A模块开机，SIM900A模块通过串口接收故障信息，并以GSM通信方式完成故障预警。

本发明的工作原理为：

参照图1，本发明采用基于振动和温度分析的矿用通风机故障预警系统实时监测故障信号，并GSM远程无线预警，该系统由振动分析系统和温度监测与预警系统组成。利用本发明进行矿用通风机故障预警时，首先参照图2布置五个故障监测点，包括纵向振动监测点1、横向振动监测点2、轴向振动监测点3、轴承温升监测点4和主电机温升监测点5。进一步地，振动分析系统采用三个工业型宽范围加速度传感器分别在横向、纵向和轴向三个方向感知振动信息，并利用基于VC++6.0开发的振动分析软件，分析振动信号的强度、频谱结构及相关性，识别通风机各类典型机械故障。进一步地，参照图3，振动分析系统采用“频域分析+时域分析”的诊断策略，完成矿用通风机机械类故障的识别，并利用RS485通信与温度监测与预警系统交互信息，上传故障信息，利用GSM报警模块实现通风机机械类故障的远程无线预警。进一步地，参照图4，布置于矿用通风机轴承表面的PT100温度传感器采集轴承温度信号，并利用PT100温度监测模块将-40～150℃通风机轴承温度信号转换为1.68～3.2V直流电压信号，供STC单片机采样处理。进一步地，参照图5，STC单片机采用“相邻分度点+线性插值”算法，按公式(1)求解轴承实时温度TX。进一步地，布置于矿用通风机主电机表面的DS18B20温度传感器，采用单总线通信技术实时监测主电机的温升信号，为主电机故障预警提供可靠的测量数据。最后，参照图6，所有故障信息以GSM通信方式远程无线预警，当系统发生故障时，STC单片机控制SIM900A模块开机，SIM900A模块通过串口接收故障信息，并以GSM通信方式完成故障预警。

本发明所提供的产品型号只是为本技术方案依据产品的结构特征进行的使用，其产品会在购买后进行调整与改造，使之更加匹配和符合本发明所属技术方案，其为本技术方案一个最佳应用的技术方案，其产品的型号可以依据其需要的技术参数进行替换和改造，其为本领域所属技术人员所熟知的，因此，本领域所属技术人员可以清楚的通过本发明所提供的技术方案得到对应的使用效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：包括矿用通风机和矿用通风机故障预警系统，所述矿用通风机故障预警系统具有振动和温度分析功能，所述矿用通风机故障预警系统用于实时监测故障信号，并GSM远程无线预警，所述矿用通风机故障预警系统共布置五个故障监测点，包括纵向振动监测点(1)、横向振动监测点(2)、轴向振动监测点(3)、轴承温升监测点(4)和主电机温升监测点(5)，所述矿用通风机故障预警系统包括振动分析系统和温度监测与预警系统。

2.如权利要求1所述的一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：所述振动分析系统包括测试计算机、振动监测分析模块、宽范围振动传感器和人机接口，所述振动监测分析模块采用USB接口与测试计算机相连，实时上传通风机振动信号采集数据，该模块支持四个通道同步采样，支持多种振动时域频域分析算法，所述振动传感器负责通风机振动信号的感知，采用三个工业型宽范围加速度传感器分别在横向、纵向和轴向三个方向感知振动信息，将矿用通风机运行的振动信号转换为电信号，所述测试计算机上加载有基于VC++6.0开发的振动分析软件，通过分析振动信号的强度、频谱特征及相关性，识别通风机各类典型机械故障。

3.如权利要求2所述的一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：所述振动分析系统采用“频域分析+时域分析”的诊断策略，完成矿用通风机机械类故障的识别，并利用RS485通信与温度监测与预警系统交互信息，上传故障信息，以GSM通信方式实现通风机机械类故障的远程无线预警。

4.如权利要求1所述的一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：所述温度监测与预警系统包括STC单片机、PT100温度监测模块、DS18B20温度监测模块、SIM900A模块和GSM报警模块，所述温度监测与预警系统负责通风机温升信号的实时监测与预警，所述PT100温度监测模块包括PT100温度传感器，所述PT100温度传感器位于矿用通风机的轴承表面，所述PT100温度传感器采集轴承温度信号，并采用精密恒流源、程控增益放大、分段线性插值技术，保证轴承温度信号的高精度测量。

5.如权利要求1所述的一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：所述DS18B20温度监测模块包括DS18B20温度传感器，所述DS18B20温度传感器位于矿用通风机的主电机表面，所述DS18B20温度传感器采用单总线通信技术实时监测主电机的温升信号，为主电机故障预警提供可靠的测量数据。

6.如权利要求1所述的一种矿用通风机故障预警方法，其特征在于：所有故障信息均以GSM通信方式远程无线预警，在所述STC单片机控制下，由所述SIM900A模块以GSM通信方式完成故障预警。

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