CN202946424U - 基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于嵌入式系统的矿用风机机械故障诊断装置，包括本质安全型传感器、嵌入式数据采集系统和故障判断系统，本质安全型传感器包括本质安全型加速度传感器、本质安全型温度传感器和本质安全型转速传感器，故障诊系统块包括在线监测模块、故障诊断模块、报警维修模块和数据存储模块，本质安全型加速度传感器、本质安全型轴承温度传感器和本质安全型磁电转速传感器通过线路接入嵌入式数据采集系统的输入接口，嵌入式数据采集系统的输出接口通过线路连接在线监测模块、故障诊断模块、报警维修模块和数据存储模块。本实用新型通过对风机工作时的振动量、温度、转速、位移等参数的在线监测，诊断出风机的机械故障并提出相应解决办法，适合于各种风机的在线监测和机械故障诊断。
Description
（一）技术领域：
本实用新型涉及机械故障诊断装置，具体为一种基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置。
（二）背景技术：
煤矿（通）风机是煤矿安全生产的重要设备之一，它每天24小时不停运转，担负着向井下输送新鲜空气、排除粉尘等污浊气流的重任。一旦煤矿通风机运行出现故障，导致井下瓦斯浓度上升至一定程度，进而造成煤矿瓦斯爆炸，危及矿工生命安全，影响煤矿的安全生产。因此对煤矿风机的运行状况（特别是对风机轴承的工作状况）进行在线监测，是十分有必要的。
目前，机电系统运行状态监测与故障诊断系统采用单机式监测诊断系统、集中式监测诊断系统、基于网络的在线分布式监测诊断系统等，在大型机电装备和系统中发挥了重要的作用。然而，这些监测控制系统价格昂贵(譬如：大型汽轮发电机转子振动量监控装置价格高达百万元），而无法推广运用。
而嵌入式系统作为新近发展起来的工况监测方法，是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。其特点在于嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统设计趋于小型化。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效，便于培养具有坚实专业知识基础的各个应用领域中的专家。
因此，基于嵌入式的关键技术研发和工业应用领域十分广阔。
（三）实用新型内容：
本实用新型设计出一种基于嵌入式系统的矿用风机机械故障诊断装置，其设计目的在于能够高效、可靠地解决矿用风机机械故障诊断问题。
本实用新型基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置的技术方案包括本质安全型传感器、嵌入式数据采集系统和故障判断系统，所述本质安全型传感器包括本质安全型加速度传感器、本质安全型温度传感器和本质安全型转速传感器，所述故障诊系统块包括在线监测模块、故障诊断模块、报警维修模块和数据存储模块，所述本质安全型加速度传感器、本质安全型温度传感器和本质安全型转速传感器通过线路分别接入嵌入式数据采集系统的输入接口，所述嵌入式数据采集系统的输出接口通过线路分别连接在线监测模块、故障诊断模块、报警维修模块和数据存储模块。
本实用新型通过设定风机的各个故障特征频谱及特征参数，将其存储于嵌入式数据采集系统的存储器中，用于匹配通过本质安全型传感器实时监测获得电机主轴、轴承振动信号特征及轴承温度，进行综合决策，给出是否具有故障及其严重程度的判断，并给出维修的指导意见。
所述本质安全型加速度传感器安装于风机电机两端轴承的外壳上，通过电机轴承和轴的振动情况，对轴承的磨损程度和风机叶轮的运行状况进行实时监测。
所述本质安全型轴承温度传感器的接线盒安装在电机的适当位置，传感器的感温元件探头插入电机轴承附近的螺孔或钻孔中并固定，以获取轴承的工作温度。
所述本质安全型转速传感器安装于风机电机外壳上，对电机转速进行实时测量。
所述嵌入式数据采集系统设有输入设定风机各种机械故障临界参数的按键，将采集到的信号和预设的参数进行比较，超出临界状态发出声光报警；所述嵌入式数据采集系统的输出接口采用外接RS485接口；嵌入式数据采集系统设于风机操作间。
所述输出接口还包括工业以太网口，所述嵌入式数据采集系统通过工业以太网口的线路分别接入煤矿调度室和厂家服务器，一旦发生疑难故障，便于调度员和厂家进行远程技术指导；所述在线监测模块、故障诊断模块、报警维修模块和数据存储模块设于煤矿控制室。
所述在线监测模块将嵌入式数据采集系统采集到的数据以波形图标的形式呈现。
所述故障诊断模块采用FFT分析、共振解调、小波包络等方法获取有用的风机故障信息，与典型故障进行匹配分析，判断轴承温度、轴承损伤类型及程度，风机叶轮及叶片等的运行状况。
所述报警维修模块中预设各个参数的临界值，当某项指标超过风机工作的正常指标时发出报警信号，并给出维修指导建议。
当嵌入式系统发出声光报警信号之后，所述数据存储模块自动将故障信号进行保存，并打印报表及数据回放。
本实用新型的优点：
1、本实用新型基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置结构轻巧，可直接安装于风机操作间，用于对工作状态下的煤矿风机机械故障诊断巡检和在线监控，及时发现风机的潜在故障，从而给出指导性意见，避免突发性事故发生，降低煤矿事故的发生率。
2、本实用新型克服了现有技术在有瓦斯、煤粉尘等危险环境及工作环境恶劣的情况下，无法准确、有效的监测煤矿风机机械故障的不足，通过对风机工作时的振动量、温度、转速、位移等参数的在线监测，诊断出风机的机械故障，并提出相应的解决办法，适合于各种煤矿风机的在线监测和机械故障诊断。
（四）附图说明：
图1为本实用新型一种实施方式的原理框图。
图号标识：1、嵌入式数据采集系统；2、本质安全型加速度传感器；3、本质安全型温度传感器；4、本质安全型转速传感器；5、在线监测模块；6、故障诊断模块；7、数据存储模块；8、报警维修模块；9、煤矿调度室；10、厂家服务器；11、煤矿控制室。
（五）具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明：
本实用新型基于嵌入式系统的矿用风机机械故障诊断装置主要由嵌入式数据采集系统1、本质安全型传感器和故障判断系统构成，它们之间连接及传输关系如图1所示。
所述嵌入式数据采集系统1（设于风机操作间）采集本质安全型传感器传递过来的风机各种机械故障参数的原始信号，并将其预处理；用户可以通过按键输入，设定风机的各种机械故障的临界参数；将采集到的信号和用户预设的参数进行比较，超出临界状态发出声光报警；嵌入式数据采集系统1设置的外接RS485接口与煤矿控制室11设置的故障判断系统相连接，方便工作人员远程操作监控；嵌入式数据采集系统1还设置外接工业以太网口，外接工业以太网口连接于煤矿调度室9和厂家服务器10，一旦发生疑难故障，便于调度员和厂家进行远程技术指导。
由于矿用通风机工作的环境异常恶劣，粉尘大、瓦斯浓度高，因此选用的传感器和相关的装置必需是本质安全的，一般选用三种本质安全型传感器来监测风机的运行情况：
1、本质安全型加速度传感器2，,该本质安全型传感器安装在风机电机的两端轴承的外壳上面，测得电机轴承和轴的振动情况，以便对轴承的磨损程度和风机叶轮的运行情况进行实时监测。
2、本质安全型温度传感器3，用于测量电机轴承温度。首先将该本质安全型传感器接线盒安装在电机的适当位置，拧紧连接螺丝，接上地线；安装时，将传感器的感温元件探头插入电机轴承附近的螺孔或钻孔中（如电机壳、轴壳上的螺孔或钻孔），并拧紧安装螺母，以便更好的获取轴承的工作温度。
3、本质安全型转速传感器4，用于测量风机转动速度。通过传感器安装座安装到电机上，传感器测头正对电机输出轴的轴心，安装时通过调节螺母调整测头与电机输出轴的距离，测量头距离输出轴2～4mm，以便于对电机的转动速度进行可靠的测量。
所述各本质安全型传感器通过线路分别连接嵌入式数据采集系统1的输入接口。
设于煤矿控制室11的故障诊断系统包括四部分模块及电源输出模块：
1、在线监测模块。将嵌入式数据采集系统1采集到的数据以波形图标的形式实时呈现于显示屏，便于用户直观的观测。
2、故障诊断模块。采用FFT分析、共振解调等方法获取有用的风机故障信息，与典型故障进行匹配分析，判断轴承磨损程度及风机叶轮的运行状况。
3、报警维修模块。预设各个参数的临界值，当某项指标超过风机工作的正常指标是发出报警信号，并给出维修指导建议。
4、数据存储模块。当嵌入式系统发出声光报警信号之后，自动将故障信号进行保存，并实现打印报表及数据回放的功能。
5、电源输出模块。电源模块是本质安全的，具有过流保护、过压保护及恢复电路、硬件保护、软件保护等功能，从而保证设备在煤矿环境的安全使用。
本实用新型包括以下步骤：
通过测试，获得风机电机轴承磨损故障特征频谱及特征参数，将其存储于嵌入式数据采集系统1的存储器中，用于匹配通过各本质安全型传感器实时监测获得的电机主轴及其轴承振动信号特征及轴承温度并进行决策，给出是否具有轴承磨损故障及其严重程度的判断，并给出维修的指导意见。
Claims (10)
1.基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：包括本质安全型传感器、嵌入式数据采集系统（1）和故障判断系统，所述本质安全型传感器包括本质安全型加速度传感器（2）、本质安全型温度传感器（3）和本质安全型转速传感器（4），所述故障诊系统块包括在线监测模块（5）、故障诊断模块（6）、报警维修模块（8）和数据存储模块（7），所述本质安全型加速度传感器（2）、本质安全型温度传感器（3）和本质安全型转速传感器（4）通过线路分别接入嵌入式数据采集系统（1）的输入接口，所述嵌入式数据采集系统（1）的输出接口通过线路分别连接在线监测模块（5）、故障诊断模块（6）、报警维修模块（8）和数据存储模块（7）。
2.根据权利要求1所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述本质安全型加速度传感器（2）安装于风机电机两端轴承外壳上，通过电机轴承和轴的振动情况，对轴承的磨损程度和风机叶轮的运行状况进行实时监测。
3.根据权利要求1所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述本质安全型温度传感器（3）的接线盒安装在电机的适当位置，传感器的感温元件探头插入电机轴承附近的螺孔或钻孔中并固定，以获取轴承的工作温度。
4.根据权利要求1所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述本质安全型转速传感器（4）安装于风机电机外壳上，传感器测头正对电机输出轴的轴心，对电机的转速进行实时测量。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述嵌入式数据采集系统（1）设有输入设定风机各种机械故障临界参数的按键，将采集到的信号和预设的参数进行比较，超出临界状态发出声光报警；所述嵌入式数据采集系统（1）的输出接口为外接RS485接口；嵌入式数据采集系统（1）设于风机操作间。
6.根据权利要求5所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述输出接口还包括工业以太网口，所述嵌入式数据采集系统（1）通过工业以太网口线路分别接入煤矿调度室（9）和厂家服务器（10），一旦发生疑难故障，便于调度员和厂家进行远程技术指导；所述在线监测模块（5）、故障诊断模块（6）、报警维修模块（8）和数据存储模块（7）设于煤矿控制室（11）。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述在线监测模块（5）将嵌入式数据采集系统（1）采集到的数据以波形图标的形式呈现。
8.根据权利要求1～4中任意一项所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述故障诊断模块（6）采用FFT分析、共振解调、小波包络等方法获取有用的风机故障信息，与典型故障进行匹配分析，判断轴承温度、轴承磨损程度及风机叶轮的运行状况。
9.根据权利要求1～4中任意一项所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：所述报警维修模块（8）中预设各个参数的临界值，当某项指标超过风机工作的正常指标时发出报警信号，并给出维修指导建议。
10.根据权利要求1～4中任意一项所述基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置，其特征在于：当嵌入式数据采集系统（1）发出声光报警信号之后，所述数据存储模块（7）自动将故障信号进行保存，并打印报表及数据回放。
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Cited By (2)
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| CN102979755A (zh) * | 2012-11-19 | 2013-03-20 | 桂林电子科技大学 | 基于嵌入式数据采集系统的矿用风机机械故障诊断装置 |
| CN105003453A (zh) * | 2014-07-18 | 2015-10-28 | 河北联合大学 | 一种矿井风机在线监测与故障诊断系统 |
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2012
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