礦山電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

李建霞

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

礦山開采工作中涉及了包括了變壓器、輸送機(jī)、提升機(jī)在內(nèi)的眾多大型電氣設(shè)備，這些電氣設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是礦產(chǎn)工作有序開展的重要保障。滾動軸承是大部分電氣設(shè)備中的核心部件，也是較易損壞的部件，目前，由于設(shè)備故障導(dǎo)致的安全事故時有發(fā)生，其中由滾動軸承導(dǎo)致的故障約占40%。因此，利用先進(jìn)技術(shù)對軸承進(jìn)行在線監(jiān)測和故障診斷可以有效保障電氣設(shè)備正常運(yùn)行，提升設(shè)備性能。

1 礦山電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要面向某礦業(yè)集團(tuán)的10個大型礦產(chǎn)設(shè)備。系統(tǒng)需要實時監(jiān)測10個設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，因此需要建立統(tǒng)一管理平臺，完成各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲以及故障診斷。采用三級分層結(jié)構(gòu)，包括設(shè)備層、控制層和管理層。各個監(jiān)測點只管理各自監(jiān)控的設(shè)備，設(shè)備之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)傳輸?shù)焦た貦C(jī)上進(jìn)行管理和記錄。

2 礦山電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計

在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)監(jiān)控以及故障診斷四大部分組成。利用振動加速傳感器和溫度傳感器對設(shè)備滾軸運(yùn)轉(zhuǎn)情況及設(shè)備溫度進(jìn)行檢測；利用礦本安振動監(jiān)測分析儀對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、放大和轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器上，最終實現(xiàn)在線監(jiān)測與故障診斷[1]。

2.1 核心部件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計以MHK18礦用本安型振動檢測儀為核心。振動檢測儀適用于煤礦井下機(jī)械設(shè)備常規(guī)振動的測量，特別是往復(fù)機(jī)械中的振動測量。對各種設(shè)備的點檢、巡檢、定期檢驗，能方便地進(jìn)行各種機(jī)械設(shè)備振動的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。主要功能內(nèi)置剪切式壓電加速度傳感器，頻率范圍寬；配備不同尺寸的探頭，適應(yīng)不同工況現(xiàn)場；液晶屏加背光方式，可在光線不足環(huán)境下使用；20小時續(xù)航時間，具備電量提示功能；無操作延時自動關(guān)機(jī)；數(shù)據(jù)存儲功能。振動檢測儀能夠檢測信號的振動峰值、振動頻率以及故障，實現(xiàn)對信號的智能處理。

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要由KS16礦用本安型振動加速度傳感器和LH516-S礦用本安型數(shù)據(jù)采集分站組成。

KS16礦用本安型振動加速度傳感器主要是用于測量軸承的振動，主要是安裝在各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的軸承蓋上，將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，能夠直接與記錄顯示和采集儀器連接，簡化了測試系統(tǒng)提高了測試的精度和可靠性。振動加速器利用其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個特性。由于這個變形會產(chǎn)生電壓，只要計算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系，就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出。工業(yè)操作振動的測量一般的靈敏度考慮在50mV/g，100mV/g和200 mV/g的加速度傳感器，然而對傳感器的頻率范圍則必須根據(jù)不同的測量對象進(jìn)行選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

滾動軸承的振動信號由內(nèi)、外部因素共同作用形成，內(nèi)部因素包括自身結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)方式等，外部因素包括其他設(shè)備或部件對軸承的振動作用。內(nèi)、外部因素共同作用使得滾動軸承的振動信號復(fù)雜隨機(jī)，將特征信號從全部振動信號中提取出來是利用振動信號分析進(jìn)行故障監(jiān)測和診斷基礎(chǔ)。對振動信號進(jìn)行時域分析。滾動軸承的損壞程度越高，振動越強(qiáng)烈，時域分析指標(biāo)越高。時域分析表達(dá)式為：

離散化表示式為：

其中T—信號樣本長度；N—樣本點數(shù)；t—信號時間；x(t)—狀態(tài)參數(shù)；p(x)—狀態(tài)參數(shù)的概率函數(shù)；X—有效值；ψ—離散化值。

采用信號峰值來檢測信號振動強(qiáng)度，一般振動越強(qiáng)，峰值越高，滾動軸承磨損也越嚴(yán)重。在時域分析中引入峭度系數(shù)K來反映函數(shù)圖像的曲度，峭度系數(shù)可以監(jiān)測到早期故障。對振動信號進(jìn)行頻域分析。通過傅立葉變換將時域信號的橫坐標(biāo)從時間變?yōu)轭l域信息，得到振動信號的頻域信息。表達(dá)式為：

其中：f—信號頻率；t—時間；x(t)—以時間為變量的函數(shù)式；X(f)—以頻率為變量的函數(shù)式。

分析振動信號的頻率信息，可以準(zhǔn)確定位滾動軸承故障的具體位置。

對振動信號進(jìn)行包絡(luò)分析。包絡(luò)分析可以確定局部故障類型，特別是對磨損故障和開裂故障具有顯著效果。當(dāng)滾動軸承發(fā)生表面磨損或開裂時，由于表面碰撞會產(chǎn)生脈沖信號，與軸承部件的原有頻率相互作用從而引起共振，通過包絡(luò)法進(jìn)行分析共振信號，提取故障特征頻率。

4 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

將系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測到的圖像和信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為HTML格式文件，利用圖像界面實現(xiàn)web遠(yuǎn)程監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求對每個單元點的參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置，分析振動信號的特征，結(jié)合故障專家數(shù)據(jù)庫進(jìn)行故障類型、故障位置的判斷，將診斷結(jié)果返回到終端顯示器，同時向系統(tǒng)進(jìn)行報警。同步顯示功能能夠顯示設(shè)備的軸承的環(huán)境溫度、振動參數(shù)等，對超出預(yù)設(shè)值的信號進(jìn)行報警提示。統(tǒng)計查詢功能可以統(tǒng)計和導(dǎo)出監(jiān)測數(shù)據(jù)，為信號分析提供數(shù)據(jù)支持。診斷功能采用時域分析、頻域分析以及包絡(luò)分析方法對信號進(jìn)行判別，從而得出診斷報告。

5 結(jié)語

根據(jù)礦山電氣設(shè)備特點設(shè)計的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)了對礦用電氣設(shè)備信息的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、報警處理以及故障診斷等功能，實現(xiàn)了對大型電器設(shè)備的實時監(jiān)控以及故障的及時診斷處理，有效提高了電氣設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。礦山電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)和利用對提高生產(chǎn)效率，保障礦產(chǎn)工作的安全性具有十分重要的意義。