一種礦井風機在線監測與故障診斷系統的製作方法

2023-05-05 07:59:16

一種礦井風機在線監測與故障診斷系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種礦井風機在線監測與故障診斷系統，尤其是一種基於LabVIEW平臺的遠程實時監測與診斷系統，該系統包括：安裝於風機各個監測點上的振動速度傳感器以獲得風機振動狀態模擬數據；與傳感器相連的用以完成傳感器數據預處理的信號調理設備；與信號調理設備相連的端子板及PCI數據採集卡，數據採集卡插入工業控制計算機的PCI總線插槽內，用於在計算機控制下完成多路傳感器信號的採集工作，在作為控制核心的工業控制計算機上安裝有本地監測與診斷軟體，同時在遠程終端上安裝有遠程監測與診斷軟體。該系統實現了風機振動信號實時採集，設備運行狀態動態監測，設備運行正常值、預報警值和停機範圍值的設置、顯示和報警提示，根據設備運行情況通過層次分析法進行診斷，得出故障發生概率，建立有線通訊網絡，利用共享變量技術共享數據信息，實現異地實時監測與診斷。本實用新型能夠提高大量數據處理的能力，實現風機運行狀態本地與遠程的監測和模糊故障診斷。
【專利說明】一種礦井風機在線監測與故障診斷系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種礦井風機在線監測與故障診斷系統。

【背景技術】
[0002]礦井風機是用於向井下輸送新鮮空氣，並將有害、有毒氣體以及粉塵從井下帶走，保證井下工作順利進行，保證工作人員的人身安全。據統計，70%以上的煤礦事故是由於通風設備出現故障致使通風不良，通風管理不善等原因造成的，而煤礦事故的發生不僅會給企業帶來經濟損失，嚴重時更會危及工作人員的生命安全，產生惡劣的社會影響。目前礦山設備的檢修模式多是採用傳統的定期維修，即對機器的檢修是按周期進行的，到了規定時間，不論機器有無故障都要對全部機器進行拆機檢修，而未到規定時間，機械運轉出現些小的毛病，有時也會持續運轉。這種維修方式不僅會造成維修過剩、降低設備的利用率、影響經濟效益，而「帶病」運行很有可能造成重大事故。另外定期維修還會增加設備的總體故障率，有許多案例說明，原本穩定的設備，經過維修反而更易出現故障，這是因為維修之前系統本身處於穩定的狀態，然而經過維修拆裝，進行再組合時，安裝精度已達不到原來的要求。此外，目前的診斷通常根據某種診斷方法給出唯一的診斷結論，忽略了多重故障發生的可能，造成診斷結果單一、絕對化。


【發明內容】

[0003]本實用新型目的在於提供一種礦井風機在線監測與故障診斷系統，以先進的故障監測與診斷技術，完成傳統維修方式的改進，實現按狀態維修；通過本系統實現風機振動信號實時採集，設備運行狀態動態監測，設備運行正常值、預報警值和停機範圍值的設置、顯示和報警提示；根據設備運行情況利用層次分析法進行診斷，得出故障發生概率，改變傳統的單一診斷結論。
[0004]為解決上述問題，本實用新型提供一種礦井風機在線監測與故障診斷系統，包括:
[0005]安裝於風機各個監測點上的振動傳感器以獲得風機振動狀態模擬數據；
[0006]與傳感器相連的用以完成傳感器數據預處理的信號調理設備；
[0007]與信號調理設備相連的端子板及數據採集卡，採集經調理後的模擬數據，將模擬數據經A/D轉換成數字數據；
[0008]數據採集卡插入工業控制計算機的PCI總線插槽內，用於在計算機控制下完成多路傳感器信號的採集工作，在作為控制核心的工業控制計算機上安裝有本地監測與診斷軟體，同時在遠程終端上安裝有遠程監測與診斷軟體。內含採集控制模塊、實時監測模塊、在線診斷模塊、信息管理模塊和網絡發布模塊，實現風機振動信號實時採集，設備運行狀態動態監測，設備運行正常值、預報警值和停機範圍值的設置、顯示和報警提示，根據設備運行情況通過層次分析法進行診斷，得出故障發生概率，建立有線通訊網絡，利用共享變量技術共享數據信息，實現異地實時監測與診斷。
[0009]進一步，在上述系統中，所述傳感器為振動速度傳感器和霍爾傳感器，振動速度傳感器獲取風機振動模擬數據，霍爾傳感器獲取風機運行位置數據；選擇風機電機輸出端、風機轉子前端和後端作為振動監測點，每點分別設置橫向和縱向監測點；轉軸某一位置安裝磁鋼片，作為信號起始位置，霍爾傳感器具該位置1mm安裝。
[0010]進一步，在上述系統中，所述信號調理設備為振動烈度監控儀，具有信號放大、濾波功能，可進行有效值線性檢波計算，計算值通過硬體顯示屏顯示以及預警報警設定、指
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[0011 ] 進一步，在上述系統中，所述數據採集設備為PCI數據採集卡，可實現多通道高速同步採集。
[0012]進一步，在上述系統中，所述軟體系統包含採集控制模塊、實時監測模塊、在線診斷模塊、信息管理模塊和網絡發布模塊。
[0013]進一步，在上述系統中，所述採集控制模塊控制採集卡進行數據採集與轉換，並對數據進行預處理；通過採集模塊可實現採集方式控制、過程參數及通道設置、採集設備功能設置，實現自動採集；所述實時監測模塊對單機振動測點實現監測，包括實時烈度值、烈度級別、預警報警狀態監控，實現了振動烈度的儀表顯示、趨勢顯示和時域信號顯示三種顯示界面切換，並且可對監控設備進行人工切換；所述現場診斷模塊對設備各振動測點進行實時數據診斷和歷史數據診斷，診斷過程依據時域分析、頻域分析、穩定性分析和軸心軌跡分析過程及其所對應的22種徵兆參量，利用多目標層次分析法、模糊綜合評判法，定量計算故障權重矩陣，與徵兆參量結合給出各種故障發生的概率；診斷結果可以Word文本形式輸出；所述信息管理模塊包括採樣數據、用戶信息、診斷信息、報警信息、參量閾值和系統信息管理；構建關聯資料庫保存採樣數據、用戶信息、診斷信息、報警信息；構建系統配置文件保存參量閾值和系統信息；根據採樣數據量大的特點，設計了一種按時間距離逐段遞減的數據存數方法，大幅度減小數據量。
[0014]進一步，在上述系統中，網絡發布模塊通過乙太網，利用共享變量技術，採用C/S網絡結構，實現異地數據傳輸；本地端兼顧網絡伺服器功能，遠程端通過接收伺服器數據，實現監控與診斷；遠程端可進行信息管理操作，將信息操作結果和操作指令同時發送到伺服器，伺服器根據操作指令進行本地資料庫修改。
[0015]在上述系統中，所述軟體部分由LabVIEW軟體編程實現。
[0016]與現有技術相比，本項實用新型綜合採用儀表指針顯示、實時趨勢曲線顯示、實時模擬信號顯示和參數顯示，提高了人機互動能力；實現了對風機按狀態維修，提高了風機安全性，降低了設備保養成本；在故障類型分析及特徵參量選取上達到了 22個，提高了故障識別率；將層次分析法和模糊綜合算法用於風機故障診斷系統。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型實施例的整體結構圖；
[0018]圖2是本實用新型實施例的硬體系統結構圖；
[0019]圖3是本實用新型實施例的軟體系統功能圖；
[0020]圖4是本實用新型實施例的數據採集流程圖；
[0021]圖5是本實用新型實施例的診斷流程圖。

【具體實施方式】
[0022]為使本實用新型的上述目的、特徵更易懂，下面通過【具體實施方式】和附圖對本實用新型做詳細說明。
[0023]本實用新型提供了一種礦井風機在線監測與故障診斷系統，如圖1所示，該系統由硬體系統和軟體系統構成，硬體系統包括傳感器2、信號調理設備3、轉接端子4、採集設備5、監測與診斷軟體(計算機)6 ;軟體系統包括採集控制模塊7、實時監測模塊8、在線診斷模塊9、信息管理模塊10、網絡發布模塊11。本系統具體構成如下:
[0024]與風機I通訊的傳感器2用於獲取風機運行過程各個監測部位的模擬數據；具體來說，傳感器能獲取被測量部分的狀態信息，並將狀態信息轉換成可用於測取、傳輸、分析處理的模擬量，通常為電壓或電流值，傳感器種類多樣，需根據不同的監測參數選用不用的測量傳感器。如圖2所示，本系統根據待測設備參數和監測位置，可選振動傳感器21?26，用於測取風機電機輸出端、風機轉子前端和後端振動信號，採集各點的電流值；可選霍爾傳感器27，用於獲取風機採樣信號起始位置，採集開關量信號。
[0025]與傳感器2中部分傳感器通訊的信號調理設備3用於調理採集的模擬量，對模擬信號進行放大、濾波處理；具體地，如圖2，可選振動烈度監控儀作為信號調理設備3，傳感器21、22與振動烈度監控儀31通訊；傳感器23、24與振動烈度監控儀32通訊；傳感器25、26與振動烈度監控儀33通訊，監控儀由AC220V穩壓電源供電，其具有信號放大、濾波功能，可進行有效值線性檢波計算，計算值通過硬體顯示屏顯示以及預警報警設定、指示。
[0026]採集設備5經轉接端子4與信號調理設備3通訊，採集經調理後的模擬數據，將模擬數據經A/D轉換成數字數據；具體的，採集設備5的型號和類型各異，設備參數不用，採集的信號精度、信號類型不同，根據實際需要，如圖2，可選用PCI數據採集卡採集振動傳感器21?26經調理設備調理的模擬信號和霍爾傳感器27提供的開關量信號，經量化、編碼以及LSB原碼轉換，獲取適合採集設備量程的電壓信號。
[0027]與採集設備5通訊的監測與診斷系統軟體(計算機)6，內含採集控制模塊7、實時監測模塊8、在線診斷模塊9、信息管理模塊10和網絡發布模塊11，實現風機振動信號實時採集，設備運行狀態動態監測，設備運行正常值、預報警值和停機範圍值的設置、顯示和報警提示，根據設備運行情況通過層次分析法進行診斷，得出故障發生概率，建立有線通訊網絡，利用共享變量技術共享數據信息，實現異地實時監測與診斷。
[0028]詳細地，如圖3，軟體系統功能如下:
[0029]採集控制模塊7控制採集卡進行數據採集與轉換，並對數據進行預處理；通過採集控制模塊7可實現採集方式控制、過程參數及通道設置、採集設備功能設置，實現自動採集;
[0030]圖4所示，為數據採集流程:
[0031]步驟1:創建採集卡CreatDevice,並判斷設備狀態,滿足判斷條件(返回值< _1)釋放米集卡ReleaseDevice ；
[0032]步驟2:獲取設備數量GetDeviceCount,並判斷設備狀態,滿足判斷條件(返回值
(O)釋放採集卡；
[0033]步驟3，配置設備參數，初始化採集卡A/D設備InitDeviceProAD,並判斷設備狀態，滿足判斷條件(返回值=O)釋放採集卡；
[0034]步驟4,執行採集過程 StartDeviceProAD ；
[0035]步驟5，讀取採集數據；
[0036]步驟6，按通道拆分、重構數據；
[0037]步驟7，數據轉換成電壓值；
[0038]步驟8，數據處理；
[0039]步驟9，結束一次採集，判斷採集狀態，若停止採集，則停止A/D設備StopDeviceProAD ,釋放A/D設備，Re I easeDeviceProAD,並釋放採集卡，否則繼續執行步驟4 ；
[0040]實時監測模塊8對單機振動測點實現監測，包括實時烈度值、烈度級別、預警報警狀態監控，實現了振動烈度的儀表顯示、趨勢顯示和時域信號顯示三種顯示界面切換，並且可對監控設備進行人工切換。
[0041]在線診斷模塊9對設備各振動測點進行實時數據診斷和歷史數據診斷，診斷過程依據時域分析、頻域分析、穩定性分析和軸心軌跡分析過程及其所對應的22種徵兆參量，利用多目標層次分析法、模糊綜合評判法，定量計算故障權重矩陣，與徵兆參量結合給出各種故障發生的概率；診斷結果可以Word文本形式輸出。
[0042]進一步，在上述系統中，所述時域分析通過對實時數據或歷史數據經時域計算，得到烈度、裕度、歪度、峭度等時域指標，根據時域指標的變化確定時域分析過程徵兆參量；頻域分析通過提取與時域分析同一時刻的數據經FFT得到數據全局頻譜，並採用EMD技術，將數據按頻率由高到低分離，提取數據特徵頻率，確定頻域分析過程徵兆參量；穩定性分析從採樣資料庫中提取指定時間範圍內的振動烈度值，以趨勢圖的形式表現，通過趨勢圖的波動情況進行穩定性分析，確定穩定性分析過程徵兆參量；軸心軌跡分析提取某一監測位置的成組數據，分別將其進行數值積分，轉化為振動位移值，組合後獲取軸心軌跡圖形，根據圖形確定軸心軌跡分析過程徵兆參量；將時域分析、頻域分析、穩定性分析、軸心軌跡分析四種分析過程的徵兆參量組合成診斷過程的徵兆參量。
[0043]進一步，在上述系統中，所述診斷方法採用多目標層次分析法、模糊綜合評判法，對礦井通風機進行故障診斷，通過振動信號特徵分析，經概率計算提供最有可能的幾種故障。故障特徵分為兩層即徵兆層和對應特徵層，利用層次分析1-9標度法計算各元素對於該層次準則的相對排序權重向量。採用根法求得權重向量，並進行歸一化處理。最後進行一致性檢驗。
[0044]根法求權重向量方法:


I
(η \η
[0045]W1- Y\mv

V ^=1 >
[0046]權重向量歸一化方法:
Γ ? w 0 - W >
[0047]W < ~ ^ W.
[0048]一致性檢驗方法:
[0049]計算比較判斷矩陣中各列元素之和，得到向量S = (s1； S2,…，Sn)，其中Si是第i列的各元素之和；計算λ_的值，與隨機指標λ' max比較，當λ_ < λ' max時求得的權重向量為有效值，並且滿足一致性檢驗。
[0050]λ max的計算方法:

η
[0051]

/=1
[0052]信息管理模塊10包括採樣數據、用戶信息、診斷信息、報警信息、參量閾值和系統信息管理；構建關聯資料庫保存採樣數據、用戶信息、診斷信息、報警信息；構建系統配置文件保存參量閾值和系統信息；根據採樣數據量大的特點，設計了一種按時間距離逐段遞減的數據存數方法，大幅度減小數據量。
[0053]網絡發布模塊11通過乙太網，利用共享變量技術，採用C/S網絡結構，實現異地數據傳輸；本地端兼顧網絡伺服器功能，遠程端通過接收伺服器數據，實現監控與診斷；遠程端可進行信息管理操作，將信息操作結果和操作指令同時發送到伺服器，伺服器根據操作指令進行本地資料庫修改。
[0054]專業人員可以進一步意識到，結合本說明書公開的實施例描述的各模塊功能及相關算法、步驟，可通過硬體、軟體或二者結合實現，在上述說明中一般性的闡述了各模塊的組成和步驟，上述功能的實現取決於特定的設計條件和應用環境。專業人員可通過不同的途徑實現各模塊所實現的功能，但是這種實現不應認為超出本實用新型的範圍。
[0055]專業人員可對本實用新型各部分進行修改、變型而不脫離本實用新型的精神範圍，如果修改、變型符合本實用新型權利要求以及同等技術範圍之內，則本實用新型意圖包含這些改動和變型。
【權利要求】
1.一種礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，包括: 安裝於風機各個監測點上的振動傳感器以獲得風機振動狀態模擬數據； 與傳感器相連的用以完成傳感器數據預處理的信號調理設備； 與信號調理設備相連的端子板及數據採集卡，採集經調理後的模擬數據，將模擬數據經A/D轉換成數字數據； 數據採集卡插入工業控制計算機的PCI總線插槽內，用於在計算機控制下完成多路傳感器信號的採集工作，在作為控制核心的工業控制計算機上安裝有本地監測與診斷軟體，同時在遠程終端上安裝有遠程監測與診斷軟體，內含採集控制模塊、實時監測模塊、在線診斷模塊、信息管理模塊和網絡發布模塊，實現風機振動信號實時採集，設備運行狀態動態監測，設備運行正常值、預報警值和停機範圍值的設置、顯示和報警提示，根據設備運行情況通過層次分析法進行診斷，得出故障發生概率，建立有線通訊網絡，利用共享變量技術共享數據信息，實現異地實時監測與診斷。
2.根據權利要求1所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於: 所述傳感器為振動速度傳感器和霍爾傳感器，振動速度傳感器獲取風機振動模擬數據，霍爾傳感器獲取風機振動相位信號。
3.根據權利要求1所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於: 所述信號調理設備為振動烈度監控儀，具有信號放大、濾波功能，可進行有效值線性檢波計算，計算值通過機旁儀表顯示以及預警報警設定、指示。
4.根據權利要求1所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，所述數據採集設備為PCI數據採集卡，可實現多通道高速同步採集。
5.根據權利要求1所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，所述軟體系統包含採集控制模塊、實時監測模塊、在線診斷模塊、信息管理模塊和網絡發布模塊。
6.根據權利要求1或權利要求5所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，所述採集控制模塊控制採集卡進行數據採集與轉換；所述實時監測模塊對單機振動測點實現監測；所述在線診斷模塊對設備各振動測點進行實時診斷和歷史診斷；所述信息管理模塊包括採樣數據、用戶信息、診斷信息、報警信息、參量閾值和系統信息管理。
7.根據權利要求書I所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，所述實時監測模塊可實現指針、趨勢、圖表三種監測狀態切換；故障類型分析及特徵參量選取上達到了 22個；層次分析法和模糊綜合算法用於風機故障診斷系統。
8.根據權利要求1或權利要求5所述的礦井風機在線監測與故障診斷系統，其特徵在於，所述網絡發布模塊通過乙太網，利用共享變量技術，採用C/S網絡結構，實現異地數據傳輸；本地端兼顧網絡伺服器功能，遠程端通過接收伺服器數據，實現監控與診斷；遠程端可進行信息管理操作，將信息操作結果和操作指令同時發送到伺服器，伺服器根據操作指令進行本地資料庫修改。
【文檔編號】F04D27/00GK204113701SQ201420409136
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】玄兆燕, 薛琦, 謝世滿, 唐佳明 申請人:河北聯合大學