煤礦大型設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究

申湛仙

（長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046600）

0 引言

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息通訊技術(shù)的不斷提升，煤礦井下設(shè)備的功能越來越多樣化，在實(shí)現(xiàn)煤礦自動化生產(chǎn)的同時，也產(chǎn)生大量的故障問題，而且有些故障問題很難被發(fā)現(xiàn)，從而造成設(shè)備運(yùn)行中斷，降低生產(chǎn)效率。為了保證井下大型設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在線監(jiān)測和故障診斷技術(shù)必不可少，早期發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)生事故之前找出問題進(jìn)行維修保養(yǎng)，以免造成更大的損失[1-2]，滾動軸承是煤礦中大型設(shè)備的主要零部件，在煤礦大型設(shè)備的故障中，滾動軸承出現(xiàn)故障的概率約為30%，利用故障診斷技術(shù)對滾動軸承進(jìn)行監(jiān)測和故障判斷，可以有效的將事故的故障發(fā)生率降低75%，維修費(fèi)用可以降低25%左右。

1 滾動軸承故障分析

1.1 滾動軸承結(jié)構(gòu)

滾動軸承的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，主要結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)圈、外圈、滾動體和支撐體四個部分組成。內(nèi)圈和外圈的轉(zhuǎn)動時相對的，通過中間滾動體的連接，可以固定外圈，而使內(nèi)圈處于隨軸轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。滾動體的形狀可以是球、球迷滾子、圓錐滾子等，滾動體在滾道內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動，為了使?jié)L動體的受力均勻，在滾動體的外部增加支撐架，將滾動體均勻分割開，避免滾動體相互碰撞的同時，可以將滾動體的受力均衡，減少磨損。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)正視圖

1.2 滾動軸承振動機(jī)理

造成軸承振動的因素可以分為內(nèi)部因素和外部因素，其中由于出廠前的裝配問題產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題、運(yùn)行時的故障和軸承自身設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)成為內(nèi)部因素，在軸承的運(yùn)行過程中，最容易導(dǎo)致軸承系統(tǒng)出現(xiàn)振動的因素是運(yùn)行故障，微小的振動激勵可以使軸承系統(tǒng)處于不正常工作狀態(tài)，這種不正常狀態(tài)又會加劇軸承的振動。在引起軸承振動的三個因素之間沒有必然的聯(lián)系，引起振動的信號具有一定的隨機(jī)性，需要根據(jù)振動的頻率，分別處理振動的造成原因，通過分析不同頻率下的振動信號，診斷故障來源。

圖2 軸承振動機(jī)理

2 模糊故障診斷策略

2.1 評價方法

模糊推理是通過給定的輸入變量，推理映射出相對應(yīng)的輸出變量，模糊推理的過程包括：模糊化、模糊規(guī)則、模糊蘊(yùn)含、模糊合成、反模糊化。針對以上五個因素組成的過程，可以通過模糊評判對模糊故障診斷進(jìn)行判斷。模糊指標(biāo)的評價分析包括：

1）將選取因素組成因素論域記為u=u1、u2…up

2）選取評價因素等級，記為 v=v1、v2…vp

3）建立模糊關(guān)系矩陣，對選取的因素進(jìn)行隸屬度函數(shù)的變化，得到隸屬度，即為模糊矩陣。

4）確定評價指標(biāo)之間的相互重要性順序。

5）表征評價指標(biāo)重要性的加權(quán)算子和模糊關(guān)系進(jìn)行合成，得出評價的結(jié)果。

6）將得到的結(jié)果與實(shí)際情況對比，對評價的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 診斷流程

診斷流程圖和算法流程圖如下圖3所示，在系統(tǒng)的故障診斷過程中，首先需要采集故障因素，形成故障征兆集合。故障征兆集合有振動信號中的峰值的大小、振動烈度、溫度信號。在模糊診斷故障確定中，選擇故障征兆與故障原因的對應(yīng)關(guān)系得到故障矩陣，然后進(jìn)行反模糊化，確定故障發(fā)生的原因，反模糊的方法包括最大隸屬度法、權(quán)值法。

在算法流程圖中，表示各種故障原因的集合用Y(n)表示，n個不同故障導(dǎo)致的故障征兆集合用X(m)表示，模糊關(guān)系矩陣用 R（m*n）表示，R（m*n）為m×n的矩陣。

圖3 診斷流程及算法流程

3 在線監(jiān)測方案設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)備在線監(jiān)測故障診斷的信息傳輸時通過工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線完成的，其中在總體結(jié)構(gòu)的過程控制層和管理層之間利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在設(shè)備管理處和過程控制層之間通過CAN總線進(jìn)行信息交換。假定故障診斷系統(tǒng)的故障測點(diǎn)有N個，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)故障發(fā)生頻率的高低，我們可以確定監(jiān)測點(diǎn)的具體位置，主要包括：通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、膠帶機(jī)和水泵。以上設(shè)備在運(yùn)行過程中的主要部件是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此，本套監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測重點(diǎn)在于對電機(jī)、滾筒、軸承座、減速器等的實(shí)時監(jiān)測，通過軸承的振動信號輔助溫度信號的分析，判斷故障的嚴(yán)重程度。

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2.1 振動監(jiān)測設(shè)計

如果需要采集設(shè)備的振動參數(shù)，需要利用加速度傳感器，根據(jù)礦用本安型設(shè)備的要求，加速度傳感器的選型為KGS18，該傳感器廣泛應(yīng)用在振動檢測裝置，為煤礦設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、維修策略制定、故障原因分析等提供依據(jù)。該傳感器的加速度測量范圍是：0m/s2～200m/s2，輸出量為模擬信號，輸出電流的范圍是：4～20mA，工作電流小于25mA。工作過程中，利用加速度計和電荷放大器產(chǎn)生電流環(huán)，輸出電流。

根據(jù)系統(tǒng)振動監(jiān)測的需求，以msp430為核心，設(shè)計振動監(jiān)測硬件系統(tǒng)。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)有多個時，msp430的模擬量采集端口不夠，必須使用擴(kuò)展芯片，模擬量采集擴(kuò)展電路設(shè)計如下圖5所示，串口擴(kuò)展芯片的型號為74HC4052D，可以將2路模擬量輸入擴(kuò)展成6路，在msp430的引腳中，p8.5和p8.6模擬量輸入引腳，p8.5和p8.5為擴(kuò)展端口選擇引腳，p8.5和p8.6輸出不同的高低電平時，芯片可以選擇不同的輸入通道（0_0、0_1、0_2、0_3、1_0、1_1、1_2、1_3）。

圖5 模擬量采集擴(kuò)展設(shè)計

3.2.2 溫度傳感器選型

溫度傳感器選型為GWD80本安型溫度傳感器，主要用來測量煤礦井下的環(huán)境溫度，數(shù)據(jù)傳輸速率為5K，內(nèi)部的溫度傳感器為PT100，測溫范圍可選擇為-20℃到60℃，具有高精度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，外殼為304不銹鋼，內(nèi)殼為ABS工程塑料，數(shù)據(jù)傳輸方式為CAN總線通訊，方便監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)。

3.3 測點(diǎn)位置安裝

對于監(jiān)測系統(tǒng)振動的傳感器，應(yīng)該安裝在靠近振動源的地方，一般在電機(jī)的軸向和徑向，針對電機(jī)的振動監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)該布放在電機(jī)的底端和電機(jī)的輸出軸端，滾筒的振動監(jiān)測點(diǎn)布放在外部的軸承包上，用以獲取軸承的振動參數(shù)，溫度監(jiān)測點(diǎn)一般選擇設(shè)備中最能體現(xiàn)設(shè)備整體溫度的地方，可以布放在電機(jī)輸出軸端和軸承包上。在減速機(jī)上的溫度傳感器應(yīng)該安裝在注油孔處，監(jiān)測油溫[3-5]。

4 故障診斷界面設(shè)計

根據(jù)故障診斷的需求，在管理層利用LabVIEW設(shè)計上位機(jī)監(jiān)測軟件，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，可以方便地進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試。

圖6 故障診斷監(jiān)測界面

故障診斷監(jiān)測界面如圖6所示，其主要功能包括：對電機(jī)溫度、振動信號的實(shí)時監(jiān)測和顯示；在顯示界面的右側(cè)，可以繪制出振動點(diǎn)的連續(xù)振動圖；針對不同的故障部位和故障的嚴(yán)重程度，維修人員可以盡快確定故障位置，做出預(yù)處理的方案。通過右上方的歷史數(shù)據(jù)查詢，可以選擇不同的日期，查詢監(jiān)測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)[6-7]。

5 總結(jié)

在煤礦的大型設(shè)備運(yùn)行過程中，最容易出故障的部位是軸承部分。本文通過對軸承工作結(jié)構(gòu)和原理的分析，設(shè)計模糊故障診斷的評價方法和診斷的流程。以KGS18為核心設(shè)計振動監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，溫度傳感器選型為GWD80本安型溫度傳感器，利用LABVIEW設(shè)計上位機(jī)顯示界面，可以進(jìn)行實(shí)時的溫度、振動故障顯示，具有報表查詢、趨勢分析、診斷分析等功能，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備在線監(jiān)測和故障診斷，預(yù)防事故的發(fā)生，提高大型設(shè)備工作可靠性。