选煤厂关键设备运行状态在线监测系统研究

2020-05-13冯建栋

煤矿现代化 2020年3期

冯建栋

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州 031412）

0 引言

选煤厂的主要任务是将入场原煤进行筛分、破碎和捡矸等，主要作业包括筛分、破碎和脱水作业，需要的主要设备有破碎机、离心机、旋流器等，目前对于这些设备的故障诊断基本上都是由现场作业人员进行观察和诊断，完全依靠人工的巡检以及设备维护人员的工作经验，缺乏必要的数据和高效的评价指标，因此设计一套选煤厂关键设备运行状态在线监测系统，对选煤厂的关键机械设备的运行工作状态进行数据采集，然后通过分析处理，及时和准确判断出设备的故障，对于提高设备管理水平，提高生产效率都具有重要的实际意义。

1 系统功能及结构设计

根据企业对系统的需求，对选煤厂关键设备运行状态在线监测系统的功能进行了设计，整个系统的功能结构如图1所示。整个系统包括四个部分，即网络数据采集系统（NetDAS），企业设备监测中心（NetEMC），设备信息数据库（NetDB），设备管理信息中心（NetEIC）。

网络数据采集系统包括两部分，即利用高速嵌入式数据监测设备的现场实时监测站，以及利用有线或者无线的方式进行数据传输的网络传输系统，该系统的作用是将现场各种传感器采集的数据信息通过网络的方式传输到企业设备监测中心。

图1 系统功能结构框架图

企业设备监测中心是将采集传输过来的数据通过在线或者离线的方式进行分析和诊断，对设备的运行状态进行评估，并且能够给出设备的维修决策，因此该部分包含设计有状态监测、历史监测、故障报警、事故追忆、专家诊断等子系统。

设备信息数据库采用关系数据库和振动数据库相结合的方式，存储需求量较大的振动数据全部存储在振动数据库当中，而关系数据库只存储振动数据的索引和记录，降低了关系数据库的需求。

设备管理信息中心包含设备管理系统、仓库管理系统和权限管理系统。该系统既能对设备进行工作状态的监测和故障诊断，也能对设备进行信息管理。

2 硬件系统设计

该硬件系统需要完成的功能有数据的采集、存储和访问，以及信号的调理等，再结合系统的需求，设计的硬件系统主要包括现场监测站和企业监测中心两部分。

2.1 现场监测站

现场监测站的功能是完成数据的采集以及信号的调理，系统的硬件主要包括各类传感器、数据采集和调理模块、机箱和PC机等。系统硬件在选用的时候需要主要考虑的因素包括系统的测试精度和成本。

2.1.1 传感器选型

本监测系统需要采集设备振动的加速度和位移参数、关键部位的温度参数，以及转子的转速数据等，因此，传感器选用的类型包括加速度传感器、位移传感器、温度传感器和光电传感器等。而传感器的型号选择应该综合考虑传感器的安装环境、所需要的测量精度、被测对象的工况和信号处理等多方面的因素。

由于加速度传感器安装在振动频率和幅度都比较大的破碎机等设备上，工作环境恶劣，选择的型号是美国PCB公司生产的608A11，灵敏度为100mv/g，分辨率为 350ug，可测频率范围为0.5Hz-10kHz，该型号传感器具有精度高、抗冲击性能好等特点，能够永久安装。

位移传感器选用电涡流式，型号为JX70-04-C-M10 ×1-80-30K，灵敏度为4.000mA/mm，测量范围 0.5～4.5mm，温漂 0.08%/℃，该传感器能够测量探头表面与被测金属导体之间的距离，在静态和动态下都能应用，并且具有高分辨率和高线性度，特别适用于旋转机械设备的故障诊断测量。

2.1.2 数据采集和调理模块选型

该模块的作用是对采集的信号进行模数转换以及信号调理，从数据转换的精度、速度、稳定性三个方面出发，选择了NI公司的NI9234和NI9203两种型号的数据采集和调理模块。NI9234模块为4通道，输入信号范围±5V，ADC分辨率24位，输入耦合方式有AC/DC两种可供选择，每通道的最大采样率为51.2KS/s，能够对集成和非集成电路压电式传感器的信号进行高精度测量。NI9203模块为8通道，输入信号范围±20mA，ADC分辨率16位，每通道的最大采样率为200KS/s，转速精度和速度较高，对于量程范围内的模拟电流信号，能够进行放大、滤波和模数转换等处理。

2.2 企业监测中心

企业监测中心主要包括三台不同类型的服务器，一台路由器和一台机架式UPS。三台服务器包括1台LabVIEW数据采集服务器、1台Oracle数据库服务器和1台Web信息服务器。其中LabVIEW数据采集服务器的作用是数据的采集和存储，以及数据的分析和处理，还能完成故障诊断等工作；Oracle数据库服务器的作用是对信息的存储，包括日常信息数据、振动数据的特征参量等；而Web信息服务器的作用实现客户对数据和信息的查询和管理。

在外部网络存在危险和不安全因素的情况下，服务器易受到攻击而导致故障。路由器的功能就是隔离服务器和外部的网络连接，防止外部网络的攻击和非法访问，保证服务器的网络安全。机架式UPS电源能给系统提供断电保护，避免系统在读写硬盘时突然断电导致故障的发生。

因此，在通过授权的情况下，也不需要安装任何客户端软件，需求用户以及相关人员可以利用浏览器在网络的条件下，直接访问和查看设备状态的监测系统。

3 软件系统设计

软件系统选用的开发平台为NI公司的LabVIEW虚拟仪器开发平台，软件系统的结构如图2所示，主要包括现场RFID采集单元和企业监测中心系统。其中现场RFID采集单元包括固定和手持的RFID读写器、数据采集处理软件，该单元的作用是机械设备以及备件的库存和调配，以及全程跟踪信息等；企业监测中心系统与硬件系统相对应，同样包括LabVIEW数据采集软件系统、Oracle数据库信息管理系统和Web信息系统三部分。

LabVIEW数据采集软件系统是利用NI-DAQ的方式对数据进行采集，利用声音和振动工具包对采集的信号进行处理和分析，提取出每一个故障的参数值，通过故障诊断，将诊断结果在LabVIEW平台上发布，或者通过LabSQL的方式把诊断数据和结果写入Oracle数据库中。

Oracle数据库信息管理系统实现了传感器采集到的数据和处理分析后的故障诊断结果的存储和查询，还能对设备备件和人员的相关信息进行管理。

Web信息系统的作用是对所有信息进行查询和发布，包括用户管理、仓库管理、在线监测、离线分析、故障诊断等。

图2 软件系统结构图

4 系统功能验证与测试

该系统搭建完成后，对系统进行了验证和测试。首先给系统提供了仿真的波形信号，该系统能够实现实时采集，同时能够对数据进行时域分析、自相关分析、频谱分析、阶次谱分析、倒谱分析等，分析结果与实际相吻合。此外给系统提供了振动平台的信号，系统分析的结果与设备实际的状态同样相吻合。通过不同信号源的测试和验证，系统稳定可行，为该系统下一步在实际生产中的推广和应用提供了保障。