CN216791251U - 矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，传感器组件实时采集的信号输送到信号调理模块，经信号调理模块进行信号的放大、转换及清洗后传输到数据采集模块，由数据采集模块进行数据的高速同步采集和分析，并提取矿用机电设备关键部件的特征信息和参数，实时监测和诊断矿用机电设备的运行状态，同时，通过通讯模块将矿用机电设备的运行状态信息数据发送到上位机，实现矿用机电设备在线状态监测、故障诊断及管理。本系统能够有效接收并提取了矿用机电设备关键部件的特性信息和参数，据此分析矿用机电设备运行状态，系统抗干扰能力强、诊断准确率高，可广泛用于矿用机电设备安全运行的状态监控。

Description

矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统

技术领域

本实用新型涉及一种在线状态监测与故障诊断的系统，特别是用于矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统。

背景技术

煤矿企业属于资产密集型企业，随着工业物联网、5G技术、工业4.0和“两化深融”等模式的提出和发展，煤矿企业越发体现出对于通过智慧装备运营实现企业管理模式升级的必要性。煤矿企业对于在线监测与诊断系统的必要性主要体现在：1、现场设备的维护模式；2、重要设备的监测模式；3、设备信息化处理模式等三个方面。

煤矿企业的设备众多，并且是生产流程化的设备，设备与生产过程紧密相连。如：给煤机、胶带机、破碎机、刮板机、通风机、水泵等。目前国内，各煤矿单位对这些设备大都还是执行的人工定时巡检制度，由厂职工通过经验靠听、触、观等方法判断设备运行状况，这一巡检任务让职工深感疲惫，更无法实时掌握设备巡检情况，一旦出现紧急性故障，很难及时发现，造成事故，同时无法实现故障的早期发现和诊断，造成故障扩大和计划检修、超前检修无法实施。所以，煤矿企业设备运维技术亟待提高，需要安装在线状态监测系统，用于评估设备状态，早期发现并跟踪设备故障，为设备故障预示和制定维修策略提供技术支持，实现由“事后维修”向“预知检修”的转变，避免意外事故停机，从而提高设备整体运行的安全性和可靠性，大幅延长使用寿命，节约生产成本，同时实现现场设备无人化检测，为企业的无人化、智能化、现代化巡检打下基础。

基于以上运维管理模式的改进和煤矿企业内机械设备的重要程度的区分，建立一套煤矿关键设备状态监测和故障诊断预警云平台系统。通过在煤矿关键旋转机械设备上布置振动、温度的感知传感器，实时感应到机械设备关键部位的振动加速度、振动速度、冲击、温度等变化数据，同时，既在监控室配置本地云平台监测诊断软件，并在厂内各级人员手机上布置APP，实现集控和移动办公中均可实时对厂内机械设备的振动与温度数据在线采集、分析及健康评估与预警。同时，也可以通过网络安全设备与江凌股份远程专家平台进行权限访问，实现煤矿旋转机械关键设备的性能评估、故障预示、寿命预测、故障报告、计划性检修等功能。从而延长设备使用寿命，保证生产安全、稳定运行。

实用新型内容

为了克服上述技术问题，本实用新型是提供一种用于矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统。

本实用新型的技术方案是：一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于包含传感器组件、信号调理模块、数据采集模块、通讯模块、电源控制模块和上位机。传感器组件实时采集的信号输送到信号调理模块，经信号调理模块进行信号的放大、转换及清洗后传输到数据采集模块，由数据采集模块进行数据的高速同步采集和分析，并提取矿用机电设备关键部件的特征信息和参数，实时监测和诊断矿用机电设备的运行状态，同时，通过通讯模块将矿用机电设备的运行状态信息数据发送到上位机，实现矿用机电设备在线状态监测、故障诊断及管理。

本实用新型中，在线状态监测与故障诊断系统装置包括传感器组件、信号接口、信号调理模块、数据采集模块、ARM中央处理器、CPLD、RAM、 FLASH、SD卡、以太网通讯模块、4G无线通讯模块、RS485总线通讯模块、电源控制模块。其中，ARM中央处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、FLASH、SD、以太网通讯模块、4G无线通讯模块、RS485总线模块、信号调理模块、数据采集模块、电源控制模块进行数据交互，还通过CPLD输出逻辑控制信号至信号调理模块的控制端进行信号调理的逻辑控制。

本实用新型中，传感器组件是采用三轴向(X、Y、Z方向)振动冲击信号和PT100铂热电阻式温度信号一体化设计的复合传感器组件，是矿用机电设备关键设备状态信息获取的感知元件，传感器组件的电缆采用7芯低烟无卤耐火屏蔽电缆，输出接口采用BNC接口(BNC-J1、BNC-I1)，实现了关键部件关键部位同一个测点的多方向、多个参量的信息获取。

本实用新型中，信号接口包括传感器信号输入接口和时间同步信号输入接口，都采用BNC接口方式，信号接口输入端设计有TVS3的TVS管，实现了输出端静电和浪涌保护。

本实用新型中，信号调理模块包括温度信号转换电路、振动信号转换电路、通带频率可配置的带通滤波器、增益可配置的放大器、平滑滤波器。单个温度信号转换电路是由温度转换芯片IC7、电阻R1、R3、R5-R11、R13、 R16、R20-R21、RJ1电容C10-C11、C17、C38-C39、三极管Q1-Q2、TVS管 TVS1组成的温度线性化转换电路。单个振动信号转换电路是由恒流源芯片 IC10、精密CMOS模拟多路复用器IC9、IC14、IC19、四运放IC5、电阻R26-R29、 R31-R32、R34-R37、R60、R64-R65、R67-R69、R72、R74-R75、R78、电容 C42-C43、C45、C66、C70、C85、C88-C89、C92-C93、C95-C97、组成的振动加速度、速度、位移可配置的转换电路。单个通带频率可配置的带通滤波器是由开关电容滤波芯片IC20、四运放IC5、电阻R79、R81、R84、R88、 R+AB、电容C102组成的二阶通带频率可配置滤波电路。单个增益可配置的放大器是由精密CMOS模拟多路复用器IC13、电阻R40、R43、R45、R47、 R49、R52、R54-R56、R60、R67电容C64、C80、C85、C90、C95组成的增益可配置的放大器。单个平滑滤波器是由四运放IC5、电阻R6、R7、R11、RJ1、电容C11、C17组成的抗混叠滤波器。

本实用新型中，数据采集模块包括采样方式可配置的模数转换器、转速信号测量电路、时间同步信号转换电路。采样方式可配置的模数转换器是由8 通道高速同步采样ADC芯片U1、多路复用器IC21、电阻R2、R14、R15、 R19、R89、电容C9、C15、C44、C16、C26、C28、C30、C33、C36、稳压二极管REF组成的采样方式可以配置成转速跟踪、定速采样、时间同步采样的模数转换器。转速信号测量电路是由高速比较器IC15、光耦DD1-DD2、TVS 管TVS4、电阻R39、R44、R42、R51、R48、R50、R58、R53、电容C69、 C51、C74、C71、C73组成的转速测量电路。时间同步信号转换电路是由达林顿晶体管阵列IC17、光耦DD3-DD4、TVS管TVS7、二极管D6、D7、电阻R61、R73、R71、R70、R83、电容C91、C94组成的时间同步信号输入输出转换电路。通过将数据输出至ARM中央处理器，实现了数据的高速同步采集和分析，并提取矿用机电设备关键部件的特征信息和参数，实时监测和诊断矿用机电设备的运行状态。

本实用新型中，通讯模块包括4G无线通讯模块、以太网通讯模块、RS485 总线通讯模块。4G无线通讯模块是由华为4G模组IC1、ESD静电保护二极管阵列IC4、Molex 503960-0696插槽IC2、电平转换芯片IC8、发光管D2、电阻R4、R12、R17-R18、R22、R24-R25、电容C1-C8、C12-C14、C19、C27、 C34、C37、C40-C41、C34-C35组成的无线4G通讯模块，实现与上位机的无线通讯。以太网通讯模块是由以太网控制芯片IC12、晶振Y1、集成网络变压器的RJ45模块JK1、TVS管阵列TVS5、强效应管Q3、电阻RI1-RI27、电容 C50、C55-C63、C65、C67-C68、C75-C76、C84、C86-C87组成的以太网通讯模块，实现与上位机的数据通讯。RS485总线通讯模块是由隔离RS-485收发器芯片IC18、共模电感CT1、空气管GD1、TVS管TVS6、TVS8-TVS9、电阻R76、R86、R90、R77、电容C98-C101、C104组成的隔离RS485总线通讯模块，实现与其他如MVB、PLC、RS485模块等进行数据通讯。

本实用新型中，电源控制模块是由DC-DC模块电源IC6、大功率开关稳压器IC11、超低功耗线性稳压器IC16、强效应管Q4、三极管Q5、发光二极管D5、二极管D1、D4、TVS管TVS2、可恢复保险PPTC1、压敏电阻RV1、电感L1-L2、磁珠Z1-Z4、Z6-Z9、电阻RH1、R30、R38、R46、R57、R59、 R62、R63、R66、电容C20-C25、C29、C32、C46-C49、C53-C54、C77-C79、 C81-C83组成的电源控制模块，实现装置供电及4G通讯模块复位电源控制。

本实用新型的有益效果在于：有效接收并提取了矿用机电设备关键部件的特性信息和参数，据此分析矿用机电设备运行状态，系统抗干扰能力强、诊断准确率高，可广泛用于矿用机电设备安全运行的状态监控。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型专利作进一步说明。

图1是本实用新型的系统架构图；

图2-1是本实用新型的信号调理模块的温度信号转换电路的电路图；

图2-2是本实用新型的信号调理模块的振动信号转换电路和通带频率可配置的带通滤波器的电路图；

图2-3是本实用新型的信号调理模块的增益可配置的放大器的电路图；

图2-4是本实用新型的信号调理模块的平滑滤波器的电路图；

图3-1是本实用新型的数据采集模块的模数转换器的电路图；

图3-2是本实用新型的数据采集模块的转速信号测量电路的电路图；

图3-3是本实用新型的数据采集模块的时间同步信号转换电路的电路图；

图4-1是本实用新型的通讯模块的4G通讯电路的电路图；

图4-2是本实用新型的通讯模块的以太网通讯电路的电路图；

图4-3是本实用新型的通讯模块的RS485总线通讯电路的电路图；

图5-1是本实用新型的电源控制模块的DC-DC模块电源回路的电路图；

图5-2是本实用新型的电源控制模块的大功率开关稳压器回路的电路图；

图5-3是本实用新型的电源控制模块的超低功耗线性稳压器IC16回路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见附图1、是本实用新型的系统架构图。在线状态监测与故障诊断系统装置包括传感器组件、信号接口、信号调理模块、数据采集模块、ARM中央处理器、CPLD、RAM、FLASH、SD卡、以太网通讯模块、4G无线通讯模块、RS485总线通讯模块、电源控制模块。其中，ARM中央处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、FLASH、SD、以太网通讯模块、4G无线通讯模块、RS485总线模块、信号调理模块、数据采集模块、电源控制模块进行数据交互，还通过CPLD输出逻辑控制信号至信号调理模块的控制端进行信号调理的逻辑控制。传感器组件是采用三轴向(X、Y、Z 方向)振动冲击信号和PT100铂热电阻式温度信号一体化设计的复合传感器组件，是矿用机电设备关键设备状态信息获取的感知元件，传感器组件的电缆采用7芯低烟无卤耐火屏蔽电缆，输出接口采用BNC接口(BNC-J1、 BNC-I1)，实现了关键部件关键部位同一个测点的多方向、多个参量的信息获取。

参见附图2-1～图2-4、是本实用新型的信号调理模块电路图。信号调理模块包括温度信号转换电路、振动信号转换电路、通带频率可配置的带通滤波器、增益可配置的放大器、平滑滤波器。单个温度信号转换电路是由温度转换芯片IC7、电阻R1、R3、R5-R11、R13、R16、R20-R21、RJ1电容C10-C11、 C17、C38-C39、三极管Q1-Q2、TVS管TVS1组成的温度线性化转换电路。单个振动信号转换电路是由恒流源芯片IC10、精密CMOS模拟多路复用器 IC9、IC14、IC19、四运放IC5、电阻R26-R29、R31-R32、R34-R37、R60、R64-R65、R67-R69、R72、R74-R75、R78、电容C42-C43、C45、C66、C70、 C85、C88-C89、C92-C93、C95-C97、组成的振动加速度、速度、位移可配置的转换电路。单个通带频率可配置的带通滤波器是由开关电容滤波芯片IC20、四运放IC5、电阻R79、R81、R84、R88、R+AB、电容C102组成的二阶通带频率可配置滤波电路。单个增益可配置的放大器是由精密CMOS模拟多路复用器IC13、电阻R40、R43、R45、R47、R49、R52、R54-R56、R60、R67 电容C64、C80、C85、C90、C95组成的增益可配置的放大器。单个平滑滤波器是由四运放IC5、电阻R6、R7、R11、RJ1、电容C11、C17组成的抗混叠滤波器。

参见附图3-1～图3-3、是本实用新型的数据采集模块电路图。数据采集模块包括采样方式可配置的模数转换器、转速信号测量电路、时间同步信号转换电路。采样方式可配置的模数转换器是由8通道高速同步采样ADC芯片 U1、多路复用器IC21、电阻R2、R14、R15、R19、R89、电容C9、C15、C44、 C16、C26、C28、C30、C33、C36、稳压二极管REF组成的采样方式可以配置成转速跟踪、定速采样、时间同步采样的模数转换器。转速信号测量电路是由高速比较器IC15、光耦DD1-DD2、TVS管TVS4、电阻R39、R44、R42、 R51、R48、R50、R58、R53、电容C69、C51、C74、C71、C73组成的转速测量电路。时间同步信号转换电路是由达林顿晶体管阵列IC17、光耦 DD3-DD4、TVS管TVS7、二极管D6、D7、电阻R61、R73、R71、R70、R83、电容C91、C94组成的时间同步信号输入输出转换电路。通过将数据输出至 ARM中央处理器，实现了数据的高速同步采集和分析，并提取矿用机电设备关键部件的特征信息和参数，实时监测和诊断矿用机电设备的运行状态。

参见附图4-1～图4-3、是本实用新型的通讯模块电路图。通讯模块包括 4G无线通讯模块、以太网通讯模块、RS485总线通讯模块。4G无线通讯模块是由华为4G模组IC1、ESD静电保护二极管阵列IC4、Molex 503960-0696 插槽IC2、电平转换芯片IC8、发光管D2、电阻R4、R12、R17-R18、R22、R24-R25、电容C1-C8、C12-C14、C19、C27、C34、C37、C40-C41、C34-C35组成的无线4G通讯模块，实现与上位机的无线通讯。以太网通讯模块是由以太网控制芯片IC12、晶振Y1、集成网络变压器的RJ45模块JK1、TVS管阵列TVS5、强效应管Q3、电阻RI1-RI27、电容C50、C55-C63、C65、C67-C68、 C75-C76、C84、C86-C87组成的以太网通讯模块，实现与上位机的数据通讯。 RS485总线通讯模块是由隔离RS-485收发器芯片IC18、共模电感CT1、空气管GD1、TVS管TVS6、TVS8-TVS9、电阻R76、R86、R90、R77、电容C98-C101、 C104组成的隔离RS485总线通讯模块，实现与其他如MVB、PLC、RS485 模块等进行数据通讯。

参见附图5-1～图5-3、是本实用新型的电源控制模块电路图。电源控制模块是由DC-DC模块电源IC6、大功率开关稳压器IC11、超低功耗线性稳压器 IC16、强效应管Q4、三极管Q5、发光二极管D5、二极管D1、D4、TVS管 TVS2、可恢复保险PPTC1、压敏电阻RV1、电感L1-L2、磁珠Z1-Z4、Z6-Z9、电阻RH1、R30、R38、R46、R57、R59、R62、R63、R66、电容C20-C25、 C29、C32、C46-C49、C53-C54、C77-C79、C81-C83组成的电源控制模块，实现装置供电及4G通讯模块复位电源控制。

综上所述，本实用新型的矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，通过在关键部件安装三轴向振动、温度复合传感器组件，实时采集的信号输送到信号调理模块，经信号调理模块进行信号的放大、转换及清洗后传输到数据采集模块，由数据采集模块进行数据的高速同步采集和分析，并提取矿用机电设备关键部件的特征信息和参数，实时监测和诊断矿用机电设备的运行状态，同时，通过通讯模块将矿用机电设备的运行状态信息数据发送到上位机，实现矿用机电设备在线状态监测、故障诊断及管理。该系统抗干扰能力强、诊断准确率高，可广泛用于矿用机电设备安全运行的状态监控。

Claims (7)

1.一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：包含传感器组件、信号调理模块、数据采集模块、通讯模块、电源控制模块和上位机，传感器组件采集的信号输送到信号调理模块，经信号调理模块后传输到数据采集模块，数据采集模块将信号输送至ARM中央处理器，ARM中央处理器上连接的通讯模块与上位机通讯相连。

2.根据权利要求1所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：ARM中央处理器通过总线与CPLD、RAM、FLASH、SD、以太网通讯模块、4G无线通讯模块、RS485总线模块、信号调理模块、数据采集模块、电源控制模块进行数据交互，且ARM中央处理器通过CPLD输出逻辑控制信号至信号调理模块。

3.根据权利要求1或2所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的传感器组件是为三轴向振动冲击信号和PT100铂热电阻式温度信号一体化设计的复合传感器组件。

4.根据权利要求2所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：信号接口包括传感器信号输入接口和时间同步信号输入接口。

5.根据权利要求1、2或4所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的信号调理模块包括温度信号转换电路、振动信号转换电路、带通滤波器、放大器和平滑滤波器，温度信号转换电路为温度线性化转换电路，振动信号转换电路为振动加速度、速度和位移可配置的转换电路，通带频率可配置的带通滤波器为二阶通带频率可配置滤波电路，放大器为增益可配置的放大器，平滑滤波器为抗混叠滤波器。

6.根据权利要求1所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的数据采集模块包括模数转换器、转速信号测量电路和时间同步信号转换电路，模数转换器为采样方式可配置成转速跟踪、定速采样、时间同步采样的模数转换器。

7.根据权利要求1所述一种矿用机电设备在线状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的通讯模块包括4G无线通讯模块、以太网通讯模块、RS485总线通讯模块。

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