煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統的製作方法

2023-05-26 17:23:16 2

專利名稱：煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於網絡技術領域，具體涉及一種煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統。
背景技術：
煤礦機電設備群是煤礦生產行業的重要裝備和物質基礎，並且設備數量多，功率大。這些設備一旦發生故障停機，輕者影響產量，重者將會造成重大人員傷亡事故。因此，大型關鍵設備的安全、穩定、長周期、滿負荷、優質運行不僅關係到企業的經濟效益，而且關係到礦井生產安全和社會和諧。目前一些大型機電設備即使配置一些故障後備保護功能， 或開展離線儀器儀表巡檢方式，但其缺陷仍然存在一方面，要投入大量的人力物力；另一方面，由於對設備的巡檢周期較長，運行人員和管理人員都不能實時了解設備的運行狀態，設備故障無法在早期發現，從而錯過處理問題的最佳時機。特別地，煤礦某些場合，由於環境、位置等原因限制，難以進行人工巡檢。目前，英、美各國在眾多行業廣泛開展設備異常狀態辨識與預警技術的應用研究，具有領先地位。而日本則在民用行業，如鋼鐵、化工等行業發展較快，佔有明顯優勢。據調研，目前國內機電設備異常狀態辨識與預警技術也得到廣泛重視和發展，在航空、交通、石化等行業應用廣泛。但是，在煤礦行業起步較晚，技術還不成熟，特別是基於無線傳感器網絡技術的在線煤礦大型機電設備群異常運行狀態辨識與預警網絡化系統基本還沒有產品出現。

發明內容
本發明克服了現有技術的不足，提出了一種煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，所述系統以現代科學中的系統論、控制論、可靠性理論、失效理論等為理論基礎，以無線傳感器網絡為技術手段，研製一套在線煤礦大型機電設備群異常運行狀態辨識與預警網絡化系統。該系統結合監測對象的特殊性，有針對性地對各關鍵運行狀態參數進行連續監測，對設備做出適時評價，對故障提前預警並做出診斷，使企業對設備的維修管理從計劃性維修、事故性維修逐步過渡到以狀態監測為基礎的預防性維修，提高了煤礦設備管理現代化水平，創造出巨大的經濟效益。所述系統數據採集部分是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者。其特別適合於部署在礦井這樣環境惡劣、高度危險的區域內。本發明的技術方案為一種煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，包括風井分站、主控系統、遠程診斷系統、無線採集模塊和網絡服務站，所述無線採集模塊包括基站和節點，所述節點包括振動溫度傳感器、DSP數據處理板和無線收發模塊，所述無線收發模塊通過無線網絡與基站相連接，所述基站通過地面環網與主控系統相連接，所述主控系統、風井分站、遠程診斷系統和網絡服務站通過地面環網相互連接在一起。所述無線收發模塊設有一個可配置的數據機，支持不同的調製格式，使其數據的傳輸速率達到500kbps。遠程診斷系統是以無線採集模塊在線監測機組的數據為基礎，根據在線監測所獲得的振動信號、過程參數等實時數據，根據主控系統中信號分析模塊的分析結果，提取反映機組運行狀態的特徵數據，並結合機組歷史故障檔案進行綜合分析，對發生故障的機組進行診斷。所述遠程診斷系統設有預警處理模塊，預警處理模塊是將各通道採集處理後的數據與診斷標準進行比較，判斷設備是否處於正常運行狀態。本發明具有如下有益效果I、本發明機電設備安全運行壽命延長效果，不小於25% ；2、本發明維修次數和維修費用減少50% ；
3、本發明無線傳感器網絡覆蓋半徑大於50米；4、本發明無線傳感器網絡能耗控制與協議合理性；5、本發明異常狀態辨識與故障特徵量識別誤差小於0. 5% ；6、本發明異常運行狀態辨識與預警系統正確率大於99. 5% ；7、本發明無限傳感器網絡基站具有乙太網通信接口及標準通信協議，並可直接與煤礦光纖以太環網無縫聯網；8、本發明網絡中所有無線節點都與基站進行雙向通信，各節點間並不通信。星型網絡較其他兩種網絡具有整體功耗最低、容易移動、易於擴展等優點；9、本發明採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者。其特別適合於部署在礦井這樣環境惡劣、高度危險的區域內。
以下結合附圖
和具體實施方式
進一步說明本發明。圖I為本發明無線傳感器網絡組成原理框圖。圖2為本發明網絡節點結構示意圖。圖3為本發明網絡節點內部原理框圖。圖4為本發明DSP數據處理板組成示意圖。圖5為本發明基站結構不意圖。圖6為本發明系統結構框圖。圖7為本發明在線振動監測與故障診斷技術路線示意圖。圖8為本發明預警處理流程示意圖。圖中，I、節點；2、基站；3、地面監測主站；4、振動溫度傳感器；5、DSP數據處理板；6、無線收發模塊；7、電池電源；8、SRAM模塊；9、電源;10、TMS320F2812晶片;11、數字1/0接口 ；12、八路ADC ;13、RS485/422接口 ；14、JTAG ;15、射頻模塊；16、MSP430F1611 晶片；17、電源；18、乙太網接口 ；19、USB ;20、RS232接口 ；21、主控系統；22、遠程診斷系統；23、風井分站；24、地面環網；25、網絡服務站；26、待檢設備；27、典型特徵；28、故障診斷；29、設備維修；30、監測特徵；31、通道報警；32、FFT變換；33、特徵提取；34、故障診斷；35、記錄事件；36、顯示列印。
具體實施例方式參見圖I至圖8所示，本發明包括風井分站23、主控系統21、遠程診斷系統22、無線採集模塊和網絡服務站25，所述無線採集模塊包括基站2和節點1，所述節點I包括振動溫度傳感器4、DSP數據處理板5和無線收發模塊6，所述無線收發模塊6通過無線網絡與基站2相連接，所述基站2通過地面環網24與主控系統21相連接，所述節點I由電池電源7供電，地面環網24為乙太網網絡，所述主控系統21包含地面監測主站3，所述主控系統21、風井分站23、遠程診斷系統22和網絡服務站25通過地面環網24相互連接在一起。所述無線收發模塊6設有一個可配置的數據機，支持不同的調製格式，使其數據的傳輸速率達到500kbps。遠程診斷系統22是以無線採集模塊在線監測機組的數據為基礎，根據在線監測所獲得的振動信號、過程參數等實時數據，根據主控系統21中信號分析模塊的分析結果，提取反映機組運行狀態的特徵數據，並結合機組歷史故障檔案進行綜合分析，對發生故障的機組進行診斷。 引起機器故障和失效的原因是多方面的。故障診斷子系統是以機組的在線監測為基礎，根據在線監測所獲得的振動信號、過程參數等實時數據，根據信號分析診斷伺服器中信號分析模塊的分析結果，提取反映機組運行狀態的特徵數據，並結合領域專家知識和機組歷史故障檔案進行綜合分析，對發生故障的機組進行診斷，確定故障的部位、原因、類型、性質，並提供維修的參考建議。振動監測與故障診斷技術路線示意圖如圖7所示，診斷步驟包括待檢設備26、典型特徵27、故障診斷28、設備維修29、監測特徵30。所述遠程診斷系統22設有預警處理模塊，預警處理模塊是將各通道採集處理後的數據與診斷標準進行比較，從通道報警31、FFT變換32、特徵提取33、故障診斷34、記錄事件35，最後到顯示列印36，判斷設備是否處於正常運行狀態。本發明適用於礦井應用領域，如礦井通風機系統、皮帶運輸機設備都是由轉動部件和非轉動部件構成的，轉動部件包括轉子及與轉子連接的聯軸器、齒輪等；非轉動部件包括各類軸承、軸承座、機殼及基座等。它們的狀態特徵參量以振動參數為主，同時兼顧溫度、壓力等工藝參數及電壓、電流等電量參數。振動測試有其特殊性，一是其振動一般呈現很強的周期性，二是對這些大型設備來講，其振動測試的主要對象是轉動部件，即轉軸。狀態監測主要是針對這些特點來進行。當設備發生異常或出現故障時，一般情況下其振動情況都會發生變化中，如振動幅值變化、振動頻率變化、振動相位變化、振動方向變化等，經過多年的試驗和研究，人們發現旋轉機械的這一特徵尤為明顯，因此與振動有關的參數被廣泛地作為表徵旋轉機械的狀態特徵參量。①振幅是描述設備振動大小的一個重要參數。運行正常的設備，其振動幅值通常穩定在一個允許範圍內，如果振幅發生了變化，便意味著設備的狀態有了變化。因此對振幅的監測可以用來判斷設備的運行狀態。振幅可以分為位移振幅、速度振幅、加速度振幅。②振動頻率可分為基頻(周期的倒數)和倍頻(各次諧波頻率)，它是描述機器狀態的另一個特徵參量，也是測量和分析的主要參數。因為特定的振動頻率往往對應一定的故障，所以對振動頻率的監測和分析在評定設備狀態過程中是必不可少的。③相位。許多設備故障單從幅值譜圖上判斷是不易區分的，這時需要對相位信息進行進一步的分析，以做出正確判斷。由於轉子各類故障給轉子帶來的直接結果是破壞了轉子的對稱性，使轉子同一截面上水平和垂直方向的振動信號在時域上的相位差不再是90度，因此可能通過同一截面上水平方向信號和垂直方向信號的相位差的不同特徵來判斷故障的類型。實際上，除了在同一截面不同方向上測量相位差外，還可通過不同測點的信號相位差來判斷故障的類型。④時域波形。實際上綜合反映了振動信號的振幅、頻率和相位。用時域波形來表示振動情況最簡單、直觀，並且通過對時域波形的觀察，也可以判斷出一些常見的故障，例如不對中、碰磨故障，其時域波形就有明顯的特徵。⑤軸心軌跡，軸心軌跡實際上是軸心上一點相對於軸承座的運動軌跡，它形象直觀地反映了轉子的實際運動情況。通過對軸心軌跡的觀察，也可以判斷出一些常見的故障。⑥溫度。⑦電流、電壓等電量參數，在由電動機驅動的大型機電設備中，對電流、電壓等電量參數的監測非常重要，因為這些參數直接表徵了設備的運行狀態，同時對設備故障的診斷非常有用。節點I不是越多越好，要以最少的傳感器，最靈敏的測出整個機電設備組的工況，要確定必不可少的節點1，這就需要對整個機組的結構特性作全面了解並認真分析。對於大型旋轉設備，在進行測點布局時要兼顧經濟、效率等方面的要求，以能夠捕捉機組的故障為前提，合理安排測點。對於機殼上的振動測量，測點的選擇應考慮環境因素，避免選擇高溫、高溼度、出風口和溫度變化劇烈的地方作為節點1，以保證測量的有效性。為降低系統成本，對於高頻的隨機振動和衝擊振動可以只確定一個方向為節點I。但對於低頻段的確定性振動必須同時測量水平和垂直兩個方向，必要時還應增加軸向測點。被測振動參量相互間的 關係。振動測試的主要指標是振幅，振幅是指振動物體偏離平衡位置的最大距離。可以用加速度、速度、位移來表示。加速度值可由速度的一次微分或位移的二次微分來求得。加速度的一次積分為速度，二次積分為位移，多數測振儀中都具有積分電路。很顯然，速度與加速度都是與頻率有關的。如果位移是一定，則速度將隨頻率增加而增加，而加速度將隨頻率的平方而增加。如果加速度是一定的，則速度將隨頻率增加而減小，而位移將隨頻率的平方而減小。為了獲得對故障敏感的測量參數，應根據故障的特徵頻率來選擇相應的測量參數。同樣，加速度、速度和位移之間存在著相位差，分別為n/2和H。也就是說加速度比速度超前90°，比位移超前180°。兩個不同的振動源都會有各種的相位。相同的相位可能引起合拍共振，產生嚴重後果。如果相位相反，則可能引起振動抵消，起到減振作用。因此，相位也是振動特徵的重要信息。對於諧波分析、動平衡測量、振動類型測量和判斷共振點時，應保證振幅測量和相位測量的準確性。在測試前和測試中需要考慮和注意以下因素。①了解測試對象的原理和結構，是否存在外來激勵振動，可能出現的故障及故障反映在哪些部位，哪些參數的變化上最為敏感。②了解被測對象的運行狀況，例如，易發故障，曾經發生過的故障記錄。③確定滿足測量的目的需要哪些數據，應對哪些參量進行測定。④估計被測對象的振動類型、振級和可能產生的最低和最高頻率，同時根據環境條件(如溫度、溼度、電磁場等)確定傳感器類型及其相配套的中間變換器和顯示記錄儀器。⑤畫出測試系統的工作框圖及儀器的連接草圖，標出所用儀器的型號和序號，以便測試系統的安裝、校準和編制測試報告。⑥確定傳感器的安裝位置、方法以及安裝固定件結構，評價是否會因傳感器附加質量的影響對測試對象造成影響(例如改變原有振動頻率、振幅)。⑦測試過程中應對測試環境做出詳細記錄，以便在數據分析時參考和及時發現一些偶然因素。⑧在測試過程中應經常檢查測試系統的「背景噪聲」，在分析時去掉這部分因素。⑨對測量數據進行處理和分析時，應查閱測試過程的原始記錄，如有特殊影響因素，應採取手段消除其影響或剔除混有偽信號的數據，以保證得到正確的結果。DSP數據處理板5具有高速率、高精度、高可靠性，包括SRAM模塊8、電源9、TMS320F2812 晶片 10、數字 1/0 接口 11、八路 ADC 12、RS485/422 接口 13 和 JTAG 14，它最適合完成數字算法和系統控制。要求具有硬體看門狗設計，程序死機可自動重新啟動，A/D接口，高達150K的採樣頻率，數據實時控制及處理。電源、電池雙供電模式，方便不同現場使用。支持RS485通信，低功耗、高可靠性、體積小，適合於嵌入式內置和設備集成，尤其適合於電池供電的設備，方便外接各類傳感器，滿足監測需求。如圖5所示，基站2包括射頻模塊15、MSP430F1611晶片16、電源17、乙太網接口18、USB 19和RS232接口 20，MSP430F1611晶片16是16位的單片機，具有較高的性能，功耗低，工作電壓1.8-3. 6v。乙太網接口 18直接與礦井工業光纖環網接口與地面上位機通 f目。在一些傳感器與數據採集分站直接連線受到限制的場合、硐室或採掘區域，機電設備狀態監測可以採用本方式。節點I部署在監測區域內，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者。其特別適合於部署在礦井這樣環境惡劣、高度危險的區域內。良好的通信協議是無線系統可靠通信的前提，考慮到系統的性能、可靠性及功耗，底層射頻通信網絡要選擇合適的拓撲結構。這是無線通訊協議設計的基礎。本發明採用星型網絡。星型網絡是一個單跳系統，網絡中所有節點I都與基站2進行雙向通信，各節點I間並不通信。星型網絡較其他兩種網絡具有整體功耗最低、容易移動、易於擴展等優點，但是節點I與基站2間的通信距離取決於單個節點I的無線信號覆蓋範圍。
權利要求
1.一種煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，其特徵是包括風井分站、主控系統、遠程診斷系統、無線採集模塊和網絡服務站，所述無線採集模塊包括基站和節點，所述節點包括振動溫度傳感器、DSP數據處理板和無線收發模塊，所述無線收發模塊通過無線網絡與基站相連接，所述基站通過地面環網與主控系統相連接，所述主控系統、風井分站、遠程診斷系統和網絡服務站通過地面環網相互連接在一起。
2.根據權利要求I所述的煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，其特徵是所述無線收發模塊設有一個可配置的數據機，支持不同的調製格式，使其數據的傳輸速率達到500kbps。
3.根據權利要求I或2所述的煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，其特徵是遠程診斷系統是以無線採集模塊在線監測機組的數據為基礎，根據在線監測所獲得的振動信號、過程參數等實時數據，根據主控系統中信號分析模塊的分析結果，提取反映機組運行狀態的特徵數據，並結合機組歷史故障檔案進行綜合分析，對發生故障的機組進行診斷。
4.根據權利要求3所述的煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，其特徵是所述遠程診斷系統設有預警處理模塊，預警處理模塊是將各通道採集處理後的數據與診斷標準進行比較，判斷設備是否處於正常運行狀態。
全文摘要
本發明涉及一種煤礦機電設備群異常運行狀態辨識與預警系統，其特徵是包括風井分站、主控系統、遠程診斷系統、無線採集模塊和網絡服務站，所述無線採集模塊包括基站和節點，所述節點包括振動溫度傳感器、DSP數據處理板和無線收發模塊，所述無線收發模塊通過無線網絡與基站相連接，所述基站通過地面環網與主控系統相連接，所述主控系統、風井分站、遠程診斷系統和網絡服務站通過地面環網相互連接在一起。本發明網絡中所有無線節點都與基站進行雙向通信，各節點間並不通信。星型網絡較其他兩種網絡具有整體功耗最低、容易移動、易於擴展等優點。
文檔編號G05B23/02GK102749910SQ20121020362
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月20日 優先權日2012年6月20日
發明者孟祥忠, 張墩福, 朱述川, 王公華 申請人:青島孚迪爾電氣自動化有限公司