陈 露，赫广杰

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

0 引言

随着煤矿井下设备机械化水平的不断提高，电机在煤矿安全生产中发挥着越来越重要的作用，特别是通风机、提升机、运输机、采掘机械等大型关键设备的非计划停机给煤矿安全生产带来安全隐患。煤矿电机应用场合恶劣、周围环境复杂，井下电气设备需满足防爆要求为故障预警增加难度。电机故障诊断技术随着传感器技术、信号处理技术以及计算机技术的进步取得很大发展，已经从故障后维修向故障前兆预警方向发展[1]。

目前，煤矿井下电机控制系统采用PLC 控制器实现电机启停功能，具有简单的过载、缺相、短路等保护功能，基本不具备电机故障预警功能。电机故障诊断技术主要有基于模型和基于信号分析两种类型[2]，由于电机非线性、强耦合、多变量的特性建立精确的数学模型困难，本文研究的故障预警装置采用基于信号分析的方法，通过时域频域等方法提取故障特征完成对电机故障的诊断功能。此外，通过矿井环网将采集电机运行数据上传至地面监控中心，有条件的矿井可以将数据传至云平台采用大数据算法进行故障预警。

1 工作原理及系统结构

煤矿大型电机故障预警装置采集电机运行电压、电流、振动和温度数据，通过提取故障特征比对故障特征库判断电机故障，采用本地服务器（防爆计算机）、监控中心服务器和云端服务器模式进行电机故障预警。系统主要由传感器、矿用隔爆兼本安型数据采集箱（以下简称数据采集箱）、本地服务器、交换机、监控中心服务器、云端服务器、矿井环网等组成，传感器包括矿用本安型振动传感器、电压互感器、电流互感器以及PT100 组成，其系统结构如图1 所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 数据采集器设计

数据采集箱用于采集电机运行电量、振动和温度数据，并与本地服务器进行数据通信，数据采集箱内置数据采集器主要完成上述功能。数据采集器由电量采集板、振动采集板和温度采集板组成，其中电量采集板可采集3 路AC 0～10 V 电压信号和3 路AC 0～5 A 电流信号，振动采集板可采集6 路振动信号，温度采集板可采集6 路温度信号，可满足1 台电机全部运行数据采集功能。

此外，采集板均设计串口和以太网通信功能，三种采集板采用软件同步实现数据同步处理。

2.2 传感器选型

为提取电机运行故障特征信号不能采用常规电机保护用变送器类型传感器，由于变送器经过内部电路处理已经用于信号分析的有用信号进行滤波。电量数据采集传感器选用准确度等级为0.5 级以上的电压互感器和电流互感器。振动传感器选用压电原理灵敏度高于100 mV/g 的三轴振动传感器，其输出信号为叠加在直流偏置电压的交流信号的交流电压信号。

3 软件设计

3.1 数据采集程序设计

电机运行数据采集是进行故障预警的基础，必须保证数据的准确性。电量、振动和温度采集板通过光纤实现数据同步，采集板之间采用485 总线进行数据通信，温度采集板作为通信主站，并通过Modbus TCP 协议与本地服务器进行通信。3 块采集板的软件流程较为相似，分别独立运行采集程序，只是在连续采样过程中进行同步处理，在发生故障或者预警后汇集到主站进行处理，其流程如图2 所示。

图2 数据采集流程

图3 本地服务器软件界面

3.2 故障预警软件设计

故障预警软件采用高级语言VB.net 编写，具有实时数据、频率曲线、故障录波、历史数据以及故障预警等功能。软件用小波变换提取故障特征，并与故障特征库比对实现电机故障诊断，结果采用概率形式进行故障预警，如80%概率出现轴承故障，软件界面如图3 所示。

此外，监控中心服务器主要用于显示电机运行数据以及本地服务器故障预警结果，云端服务器主要用于存储电机海量运行数据以及后期基于大数据算法的电机故障预警软件开发。

4 结束语

煤矿大型电机故障预警装置已应用于某矿进行工业性试验，前期主要用于修正软件算法并完善煤矿电机故障特征库，对于有经验的检修师傅通过观察软件实时数据曲线可以对较典型的故障进行判断，电机故障预警技术正在由计划维修向预测性维修发展，电机故障预警装置具有广泛的市场前景。