孫愛東 田錦釗 李 廣

（1.山東能源集團西北礦業(yè)有限公司，陜西 西安 170000；2.山東能源集團西北礦業(yè)有限公司雙欣礦業(yè)，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 項目實施背景

岱莊煤礦主副井提升機選用落地式多繩摩擦輪提升機。該礦主副井提升機在原設計中，其電機軸承處缺少振動及溫度監(jiān)測裝置，提升機的運轉過程中一直采用人工巡檢測量方式檢測軸承的運轉狀態(tài)，依靠檢查人員耳聽軸承運轉過程中的振動，平時只能依據(jù)檢查人員的經驗判斷軸承的運轉狀態(tài)，并且需要定期拆卸，查看軸承的磨損情況。這種方式不僅浪費了人力物力，而且人工巡檢具有很大的不確定性，又不能保證其監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，不能實時自動監(jiān)測提升機電機軸承的運轉狀態(tài)和完成軸承故障預警的功能，這樣必將嚴重制約礦井安全與生產。特別是天輪軸承系統(tǒng)的檢查，位置高，滾動軸承數(shù)量多，嚴重危及巡檢人員生命安全。

主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)是通過對軸承系統(tǒng)故障特征分量（振動和溫度）實時監(jiān)測監(jiān)控，對運轉設備故障提前預警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發(fā)生，減少維修費用，提高煤礦設備管理水平[1-5]。該系統(tǒng)既克服了目前人工巡檢數(shù)據(jù)準確度低、周期過長、連續(xù)性差和無法實現(xiàn)絞車軸承故障預警的問題，還可以實現(xiàn)分站無線采集監(jiān)測點數(shù)據(jù)，傳送至上位機后還可以進行數(shù)據(jù)存儲、分析、診斷，對于煤礦主副井絞車的安全、穩(wěn)定運行以及煤礦高效安全生產有重要意義。

2 方案的設計與確定

從軸承監(jiān)測和故障診斷的發(fā)展趨勢來看，研究以計算機分析為基礎的在線軸承振動、溫度監(jiān)測與故障預警是主要研究趨勢和研究熱點。針對這個問題，將以滾動軸承的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預警為研究對象，研究一種基于嵌入式系統(tǒng)對滾動軸承的運行狀態(tài)監(jiān)測與根據(jù)振動信號故障精密診斷的方法，從而實現(xiàn)對煤礦主副井絞車軸承的全方位保護。

針對主副井絞車房中的電機、聯(lián)軸器和滾筒軸承，配合有線振動傳感器和溫度傳感器，選取合適的監(jiān)測點進行振動和溫度監(jiān)測。監(jiān)測點般分三個方向，即水平方向X、垂直方向Y 和軸向方向Z。水平徑向測點通常選在軸中心高度處，各測點互相垂直安裝，這是因為不同的故障反映在不同的測量方向上，如：不平衡多反映在水平方向上，松動在垂直方向，軸向躥動則在軸向比較強。對于天輪軸承系統(tǒng)的檢查，位置高，滾動軸承數(shù)量多，布線困難。傳統(tǒng)的無線振動傳感器有單軸、雙軸和三軸，但是他們只提供時域信號，基于時間的分析會產生一個綜合所有這些振動源的復雜波形。該信號在上位機上通過專門軟件進行頻域分析，這不僅使整個系統(tǒng)的實時性和同步性毫無可能，而且將大部分額外設計工作推給了設備開發(fā)商，降低了上位機的工作效率，保證不了數(shù)據(jù)的實時性，增加了編程的難度，延長了開發(fā)周期。

最終確定本系統(tǒng)由溫度傳感器、振動傳感器和分析儀器、可編程序控制器等幾個部分組成，從全局控制策略角度，應用先進的計算機控制技術、檢測技術、通信技術以及故障診斷和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術，研制一套主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的構成

主副井絞車房內的提升設備的軸承監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏及監(jiān)控軟件組合設計，使用有線振動和溫度傳感器，實現(xiàn)對電機后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向、Z 方向）、滾筒后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向）、溫度（包括電機后軸軸承、滾筒后軸軸承）的連續(xù)在線監(jiān)測功能。對于天輪軸承的振動溫度監(jiān)測，使用無線振動溫度一體化傳感器配合無線基站，實現(xiàn)振動溫度的實時監(jiān)測，并且運行時可直接查看振動的頻譜，具有完備的報警顯示功能，可以實現(xiàn)振動過大、振動異常、軸承溫度過高報警等等，給提升設備的維護提供參考，帶來了極大的方便，提高了整個控制系統(tǒng)的自動化、智能化和人性化的水平，減少了人員巡檢工作量，改善工人工作環(huán)境。

3.1 系統(tǒng)結構

主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的系統(tǒng)結構，如圖1。

圖1 主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)結構原理圖

針對天輪軸承，由于其位置高，不宜布線，采用無線振動溫度一體化傳感器進行振動和溫度監(jiān)測，并且可以同時監(jiān)測三軸的振動變化，減少傳感器的數(shù)量。無線振動傳感器與無線基站之間采用2.4 GHz 的射頻進行無線通訊，通訊距離可達100 m。無線基站通過自帶的網絡模塊接入地面工業(yè)以太網，遠端的地面監(jiān)控主機通過設置對應的IP 可以實現(xiàn)與無線基站的通訊，其結構圖示意如圖2。

圖2 天輪軸承振動在線監(jiān)測結構圖

現(xiàn)場測量控制層是由主副井絞車房的溫度檢測變送器、振動分析儀器、PLC 控制柜（分站）、模擬量輸入模塊、以太網模塊等部件組成。振動和溫度傳感器實時采集振動和溫度信號，PLC 模塊接受來自傳感器輸出的信號，送至上位機的專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，進行故障診斷與預測分析。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

作為整個系統(tǒng)的一部分，軟件的設計具有極其重要的地位。本設計的軟件部分由以下幾部分組成：計算機管理子系統(tǒng)、上下位機通信子系統(tǒng)、無線振動溫度一體化傳感器軟件系統(tǒng)、無線基站軟件系統(tǒng)等。

本系統(tǒng)組態(tài)軟件主要用來設計人機交互界面，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)遠程可視化監(jiān)測。另外，輔助以SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和基于VB 的信號頻譜分析軟件，對采集到的振動、溫度等信號進一步分析，并建立相應的數(shù)據(jù)庫。主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警控制流程如圖3。

圖3 主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警控制流程圖

對于天輪軸承無線振動監(jiān)測，無線基站與無線振動傳感器的軟件流程如圖4。上位機通過串口與無線網關連接，發(fā)送初始化命令和查詢數(shù)據(jù)指令，流程如圖4（a）所示。無線網關將收到的上位機指令轉發(fā)給安放在監(jiān)測現(xiàn)場的無線傳感器。無線傳感器程序是在IAR 的環(huán)境下編譯并調試通過的，采用C 語言編程，無線傳感器程序主要是根據(jù)接收到的上位機控制指令來執(zhí)行相應的操作，并把采集的振動數(shù)據(jù)傳送給上位機，主程序流程如圖4（b）所示。

圖4 程序流程圖

4 系統(tǒng)創(chuàng)新性

（1）將專家系統(tǒng)與神經網絡技術結合，把智能控制理論中先進控制理論方法引入到實際的絞車軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，并進行建模與仿真。

（2）直接對軸承振動信號進行頻譜分析，采用共振解調法結合頻譜圖的頻率結構和差頻分析，對軸承早期故障進行精密診斷。

（3）自主設計研發(fā)的嵌入式微控制器，采用雙層結構模塊化設計，集信號采集、處理、信號分析和通訊于一體。在此基礎上通過上層處理軟件完成對故障信號類型和程度解析，從而實現(xiàn)了實時監(jiān)測絞車軸承運行狀態(tài)及故障狀態(tài)的準確辨識。

（4）數(shù)據(jù)交換網絡化設計，實現(xiàn)對絞車軸承的全方位監(jiān)測與保護。

（5）設計一套絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預警的無線傳輸模塊，將實現(xiàn)現(xiàn)場設備與上位機的無線通訊，以提高監(jiān)測設備對安裝現(xiàn)場的適應性。

5 效果分析

5.1 經濟效益分析

（1）實時監(jiān)測后，早期預警減少軸承系統(tǒng)故障損失。對于岱莊煤礦主副井絞車，若每年用于軸承系統(tǒng)檢查或軸承系統(tǒng)突然故障造成停止提升的時間為10 h，按年產量240 萬t，每噸價格600元，每年減少直接經濟損失：（240×600×10）÷8760=165 萬元。

（2） 精簡維檢人員，減少工資開支。由于項目軸承監(jiān)測與預警數(shù)據(jù)采用自動采集系統(tǒng)，并且實時顯示，不但檢測的準確率是人工巡查無法比擬的，而且省掉了至少3 個巡查工人，以年工資9 萬元記，每年可以節(jié)省人工費27 萬元。

每年創(chuàng)效：165+27=192 萬元。

5.2 社會效益分析

采用溫度、振動數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，由于檢驗結果準確率高，大大降低了煤礦的安全隱患，為煤礦安全高效生產做出巨大的貢獻。系統(tǒng)將實現(xiàn)對軸承系統(tǒng)故障特征分量（振動和溫度）實時監(jiān)測監(jiān)控，對運轉設備故障提前預警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發(fā)生，減少維修費用，提高煤礦設備管理水平，社會效益顯著。