陳 露，赫廣杰

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順 113122）

0 引言

隨著煤礦井下設(shè)備機(jī)械化水平的不斷提高，電機(jī)在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，特別是通風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、采掘機(jī)械等大型關(guān)鍵設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。煤礦電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合惡劣、周?chē)h(huán)境復(fù)雜，井下電氣設(shè)備需滿足防爆要求為故障預(yù)警增加難度。電機(jī)故障診斷技術(shù)隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步取得很大發(fā)展，已經(jīng)從故障后維修向故障前兆預(yù)警方向發(fā)展[1]。

目前，煤礦井下電機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停功能，具有簡(jiǎn)單的過(guò)載、缺相、短路等保護(hù)功能，基本不具備電機(jī)故障預(yù)警功能。電機(jī)故障診斷技術(shù)主要有基于模型和基于信號(hào)分析兩種類型[2]，由于電機(jī)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的特性建立精確的數(shù)學(xué)模型困難，本文研究的故障預(yù)警裝置采用基于信號(hào)分析的方法，通過(guò)時(shí)域頻域等方法提取故障特征完成對(duì)電機(jī)故障的診斷功能。此外，通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)將采集電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控中心，有條件的礦井可以將數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)采用大數(shù)據(jù)算法進(jìn)行故障預(yù)警。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦大型電機(jī)故障預(yù)警裝置采集電機(jī)運(yùn)行電壓、電流、振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)提取故障特征比對(duì)故障特征庫(kù)判斷電機(jī)故障，采用本地服務(wù)器（防爆計(jì)算機(jī)）、監(jiān)控中心服務(wù)器和云端服務(wù)器模式進(jìn)行電機(jī)故障預(yù)警。系統(tǒng)主要由傳感器、礦用隔爆兼本安型數(shù)據(jù)采集箱（以下簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)采集箱）、本地服務(wù)器、交換機(jī)、監(jiān)控中心服務(wù)器、云端服務(wù)器、礦井環(huán)網(wǎng)等組成，傳感器包括礦用本安型振動(dòng)傳感器、電壓互感器、電流互感器以及PT100 組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集箱用于采集電機(jī)運(yùn)行電量、振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)，并與本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)置數(shù)據(jù)采集器主要完成上述功能。數(shù)據(jù)采集器由電量采集板、振動(dòng)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(hào)和3 路AC 0～5 A 電流信號(hào)，振動(dòng)采集板可采集6 路振動(dòng)信號(hào)，溫度采集板可采集6 路溫度信號(hào)，可滿足1 臺(tái)電機(jī)全部運(yùn)行數(shù)據(jù)采集功能。

此外，采集板均設(shè)計(jì)串口和以太網(wǎng)通信功能，三種采集板采用軟件同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步處理。

2.2 傳感器選型

為提取電機(jī)運(yùn)行故障特征信號(hào)不能采用常規(guī)電機(jī)保護(hù)用變送器類型傳感器，由于變送器經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路處理已經(jīng)用于信號(hào)分析的有用信號(hào)進(jìn)行濾波。電量數(shù)據(jù)采集傳感器選用準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5 級(jí)以上的電壓互感器和電流互感器。振動(dòng)傳感器選用壓電原理靈敏度高于100 mV/g 的三軸振動(dòng)傳感器，其輸出信號(hào)為疊加在直流偏置電壓的交流信號(hào)的交流電壓信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行故障預(yù)警的基礎(chǔ)，必須保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。電量、振動(dòng)和溫度采集板通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，采集板之間采用485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，溫度采集板作為通信主站，并通過(guò)Modbus TCP 協(xié)議與本地服務(wù)器進(jìn)行通信。3 塊采集板的軟件流程較為相似，分別獨(dú)立運(yùn)行采集程序，只是在連續(xù)采樣過(guò)程中進(jìn)行同步處理，在發(fā)生故障或者預(yù)警后匯集到主站進(jìn)行處理，其流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

圖3 本地服務(wù)器軟件界面

3.2 故障預(yù)警軟件設(shè)計(jì)

故障預(yù)警軟件采用高級(jí)語(yǔ)言VB.net 編寫(xiě)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、頻率曲線、故障錄波、歷史數(shù)據(jù)以及故障預(yù)警等功能。軟件用小波變換提取故障特征，并與故障特征庫(kù)比對(duì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障診斷，結(jié)果采用概率形式進(jìn)行故障預(yù)警，如80%概率出現(xiàn)軸承故障，軟件界面如圖3 所示。

此外，監(jiān)控中心服務(wù)器主要用于顯示電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及本地服務(wù)器故障預(yù)警結(jié)果，云端服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)電機(jī)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)以及后期基于大數(shù)據(jù)算法的電機(jī)故障預(yù)警軟件開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦大型電機(jī)故障預(yù)警裝置已應(yīng)用于某礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，前期主要用于修正軟件算法并完善煤礦電機(jī)故障特征庫(kù)，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的檢修師傅通過(guò)觀察軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可以對(duì)較典型的故障進(jìn)行判斷，電機(jī)故障預(yù)警技術(shù)正在由計(jì)劃維修向預(yù)測(cè)性維修發(fā)展，電機(jī)故障預(yù)警裝置具有廣泛的市場(chǎng)前景。