煤礦大型電機故障預警裝置的設計

陳 露，赫廣杰

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

0 引言

隨著煤礦井下設備機械化水平的不斷提高，電機在煤礦安全生產中發揮著越來越重要的作用，特別是通風機、提升機、運輸機、采掘機械等大型關鍵設備的非計劃停機給煤礦安全生產帶來安全隱患。煤礦電機應用場合惡劣、周圍環境復雜，井下電氣設備需滿足防爆要求為故障預警增加難度。電機故障診斷技術隨著傳感器技術、信號處理技術以及計算機技術的進步取得很大發展，已經從故障后維修向故障前兆預警方向發展[1]。

目前，煤礦井下電機控制系統采用PLC 控制器實現電機啟停功能，具有簡單的過載、缺相、短路等保護功能，基本不具備電機故障預警功能。電機故障診斷技術主要有基于模型和基于信號分析兩種類型[2]，由于電機非線性、強耦合、多變量的特性建立精確的數學模型困難，本文研究的故障預警裝置采用基于信號分析的方法，通過時域頻域等方法提取故障特征完成對電機故障的診斷功能。此外，通過礦井環網將采集電機運行數據上傳至地面監控中心，有條件的礦井可以將數據傳至云平臺采用大數據算法進行故障預警。

1 工作原理及系統結構

煤礦大型電機故障預警裝置采集電機運行電壓、電流、振動和溫度數據，通過提取故障特征比對故障特征庫判斷電機故障，采用本地服務器（防爆計算機）、監控中心服務器和云端服務器模式進行電機故障預警。系統主要由傳感器、礦用隔爆兼本安型數據采集箱（以下簡稱數據采集箱）、本地服務器、交換機、監控中心服務器、云端服務器、礦井環網等組成，傳感器包括礦用本安型振動傳感器、電壓互感器、電流互感器以及PT100 組成，其系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

2.1 數據采集器設計

數據采集箱用于采集電機運行電量、振動和溫度數據，并與本地服務器進行數據通信，數據采集箱內置數據采集器主要完成上述功能。數據采集器由電量采集板、振動采集板和溫度采集板組成，其中電量采集板可采集3 路AC 0～10 V 電壓信號和3 路AC 0～5 A 電流信號，振動采集板可采集6 路振動信號，溫度采集板可采集6 路溫度信號，可滿足1 臺電機全部運行數據采集功能。

此外，采集板均設計串口和以太網通信功能，三種采集板采用軟件同步實現數據同步處理。

2.2 傳感器選型

為提取電機運行故障特征信號不能采用常規電機保護用變送器類型傳感器，由于變送器經過內部電路處理已經用于信號分析的有用信號進行濾波。電量數據采集傳感器選用準確度等級為0.5 級以上的電壓互感器和電流互感器。振動傳感器選用壓電原理靈敏度高于100 mV/g 的三軸振動傳感器，其輸出信號為疊加在直流偏置電壓的交流信號的交流電壓信號。

3 軟件設計

3.1 數據采集程序設計

電機運行數據采集是進行故障預警的基礎，必須保證數據的準確性。電量、振動和溫度采集板通過光纖實現數據同步，采集板之間采用485 總線進行數據通信，溫度采集板作為通信主站，并通過Modbus TCP 協議與本地服務器進行通信。3 塊采集板的軟件流程較為相似，分別獨立運行采集程序，只是在連續采樣過程中進行同步處理，在發生故障或者預警后匯集到主站進行處理，其流程如圖2 所示。

圖2 數據采集流程

圖3 本地服務器軟件界面

3.2 故障預警軟件設計

故障預警軟件采用高級語言VB.net 編寫，具有實時數據、頻率曲線、故障錄波、歷史數據以及故障預警等功能。軟件用小波變換提取故障特征，并與故障特征庫比對實現電機故障診斷，結果采用概率形式進行故障預警，如80%概率出現軸承故障，軟件界面如圖3 所示。

此外，監控中心服務器主要用于顯示電機運行數據以及本地服務器故障預警結果，云端服務器主要用于存儲電機海量運行數據以及后期基于大數據算法的電機故障預警軟件開發。

4 結束語

煤礦大型電機故障預警裝置已應用于某礦進行工業性試驗，前期主要用于修正軟件算法并完善煤礦電機故障特征庫，對于有經驗的檢修師傅通過觀察軟件實時數據曲線可以對較典型的故障進行判斷，電機故障預警技術正在由計劃維修向預測性維修發展，電機故障預警裝置具有廣泛的市場前景。