鑒定 基于無線傳輸?shù)V用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)陳瑩瑩 2012-1-10

1、12 礦井提升設備是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分礦井提升設備是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分, , 其中減速其中減速器、滾筒、天輪、器、滾筒、天輪、高壓配電柜高壓配電柜等設備是安全運行的關鍵等設備是安全運行的關鍵環(huán)環(huán)節(jié)。節(jié)。 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全國煤礦發(fā)生的各類死亡事故中，提升運據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全國煤礦發(fā)生的各類死亡事故中，提升運輸約占輸約占10%. 70%以上的機械故障都是以振動的形式表現(xiàn)出來的。以上的機械故障都是以振動的形式表現(xiàn)出來的。高壓配電柜的觸頭和母線排連接處等部位因過熱引起絕高壓配電柜的觸頭和母線排連接處等部位因過熱引起絕緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)緣老化甚至擊穿，從而引發(fā)短路短路的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 1 1 項

2、目概項目概況況 3 提升機滾筒主軸斷裂、減速器齒輪疲勞膠合等故障也會導提升機滾筒主軸斷裂、減速器齒輪疲勞膠合等故障也會導致礦井停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失致礦井停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失。l 某礦提升機出現(xiàn)了滾筒主軸斷裂的情況，導致停產(chǎn)數(shù)天，造成了巨大的經(jīng)濟損失。l 某礦主井南側天輪軸突然斷裂，影響生產(chǎn)70小時。 煤礦對提升機的監(jiān)測大都采用有線方式，由于測量的參數(shù)煤礦對提升機的監(jiān)測大都采用有線方式，由于測量的參數(shù)較多且關鍵部位較多且關鍵部位( (如天輪如天輪) )傳感器的安裝不便，使得布線相當繁傳感器的安裝不便，使得布線相當繁瑣。信號線、控制線、電源線混雜在一起時，容易受到傳輸瑣。信號線、控制線、電

3、源線混雜在一起時，容易受到傳輸距離、電磁干擾等因素的影響而變得不穩(wěn)定，尤其在測量點距離、電磁干擾等因素的影響而變得不穩(wěn)定，尤其在測量點數(shù)較多或者通信距離較遠時，系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素會更加嚴重數(shù)較多或者通信距離較遠時，系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素會更加嚴重 。 4 基于以上情況，柴里煤礦與中國礦業(yè)大學聯(lián)合研發(fā)基于以上情況，柴里煤礦與中國礦業(yè)大學聯(lián)合研發(fā)了了“基于無線傳輸?shù)牡V用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系基于無線傳輸?shù)牡V用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)統(tǒng)” ，該系統(tǒng)能夠有效的提高提升設備可靠性，減少，該系統(tǒng)能夠有效的提高提升設備可靠性，減少提升機的重大事故發(fā)生，對保障礦工的生命安全和煤提升機的重大事故發(fā)生，對保障礦工的生

4、命安全和煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義礦的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義. .52 項目研究內(nèi)容及關鍵技術v 本項目綜合運用了ZigBee技術、虛擬儀器、故障診斷等先進技術，針對柴里礦的實際情況，設計科學合理的研究方案，經(jīng)過對柴里礦主井實地考察分析，研究國內(nèi)外礦用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷現(xiàn)狀，開發(fā)了基于無線傳輸?shù)牡V用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。研究內(nèi)容主要包含如下: （1）以無線節(jié)點為依托，構建礦用設備無線傳感器網(wǎng)絡，通過中繼網(wǎng)橋擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，以網(wǎng)關作為簇節(jié)點接收各節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。采用基于IEEE802.15.4協(xié)議且將發(fā)射模塊與采集模塊融為一體的ZigBee無線加速度節(jié)點和溫度節(jié)點，遠距離

5、測量提升系統(tǒng)各關鍵部位軸承座振動烈度、軸瓦溫度、高壓開關柜溫度、液壓站溫度和環(huán)境溫度。6 （2 2）無線節(jié)點性能設計 針對柴里煤礦提升設備監(jiān)測參數(shù)繁多，布局分散，高壓開關柜密封性強阻礙信號傳輸?shù)葐栴}，與專業(yè)廠家共同開發(fā)了低功耗、低成本、長傳輸距離的無線監(jiān)測節(jié)點。 （3 3）針對煤礦大型設備結構復雜、故障種類繁多、故障特征提取困難等特點，開發(fā)了以頻譜分析和溫度趨勢分析為主的故障診斷算法。 （4 4）設計上位機軟件，以實現(xiàn)無線信號收發(fā)、實時顯示、數(shù)據(jù)處理、越限報警、故障診斷等功能。73 基于無線傳輸?shù)牡V用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng) 基于無線傳輸?shù)牡V井提升設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)由提升機在線監(jiān)測和

6、故障診斷兩個部分構成。 提升機在線監(jiān)測部分對各關鍵部位軸承座振動烈度、軸瓦溫度、液壓站溫度、潤滑油溫度、開關柜溫度和電機溫度進行監(jiān)測，防止軸承座振動烈度過大，高壓開關柜、軸瓦、制動液和潤滑油液溫度過高等故障的發(fā)生。 故障診斷部分對采集的振動和溫度信號進行分析處理，綜合運用趨勢分析法和頻譜分析法，利用傅立葉變換、相關性分析、倒頻譜分析等信號處理方法對采集到的信號提取頻率成分，與故障信號頻率進行比較，從而給出可能發(fā)生故障的概率大??；依據(jù)煤礦安全規(guī)程要求設定正常溫度的范圍，對超出正常范圍的值進行報警，并指明溫度過高的位置。 8無無線線傳傳感感器器網(wǎng)網(wǎng)絡絡協(xié)協(xié)議議及及相相關關技技術術機械機械系統(tǒng)系統(tǒng)故

7、障故障分析分析高壓高壓配電配電柜故柜故障分障分析析無線溫度節(jié)點無線溫度節(jié)點無線溫度節(jié)點無線振動節(jié)點液壓液壓及潤及潤滑系滑系統(tǒng)故統(tǒng)故障分障分析析無線溫度節(jié)點無線溫度節(jié)點研研制制數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)接接收收及及實實時時監(jiān)監(jiān)測測軟軟件件研研制制在在線線監(jiān)監(jiān)測測及及故故障障診診斷斷系系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)速柜調(diào)速柜高壓開高壓開關柜關柜關鍵部位關鍵部位軸承軸承關鍵部位關鍵部位軸承軸承液壓站液壓站制動油制動油潤滑油站潤滑油站潤滑油潤滑油常常見見故故障障、監(jiān)監(jiān)測測參參數(shù)數(shù)和和監(jiān)監(jiān)測測位位置置9系統(tǒng)功能v（1）對提升機天輪、電機、減速器和滾筒的軸承的振動進行監(jiān)測，對振動信號進行功率譜、頻譜分析、互相關分析、小波包分析等相關分析并結合提

8、升載荷診斷機械部分可能存在的故障。v（2）通過安裝在軸瓦、液壓站、潤滑油站、調(diào)速柜、高壓換相柜和電機的無線溫度節(jié)點在線監(jiān)測溫度，利用趨勢分析法，分析溫度的變化趨勢，對超出閾值的溫度進行報警。v（3）實時顯示溫度和烈度數(shù)據(jù)、無線節(jié)點信息，動態(tài)畫面瀏覽。10v（4）系統(tǒng)實現(xiàn)了故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的記錄和查詢功能，并能根據(jù)故障類型和時間對數(shù)據(jù)庫進行查詢，實時數(shù)據(jù)瀏覽、語音報警提示、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。v（5）系統(tǒng)實現(xiàn)了安全退出，沒有權限的人員無權退出系統(tǒng)，保證了實時監(jiān)測。v（6）系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)測，更高領導級的計算機可看到現(xiàn)場工控機的畫面，便于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一管理。11項目創(chuàng)新點v（1）采用基于IE

9、EE802.15.4協(xié)議且將發(fā)射模塊與傳感器融為一體的ZigBee無線加速度節(jié)點和溫度節(jié)點遠距離測量提升系統(tǒng)各關鍵部位軸承座振動烈度、軸瓦溫度、液壓站溫度和高壓開關柜溫度。v（2）以無線節(jié)點為依托，通過網(wǎng)橋將距離較遠的網(wǎng)絡互聯(lián)，以網(wǎng)關作為簇節(jié)點接收各節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從而形成無線傳感器網(wǎng)絡，具有覆蓋范圍廣，擴展方便等優(yōu)點。12v（3）上位機程序以虛擬儀器為平臺，采用LabVIEW中生產(chǎn)者-消費者編程模式讀取上位機串口數(shù)據(jù)、LabSQL數(shù)據(jù)存儲模式、組件的設計思想，占用內(nèi)存少，系統(tǒng)運行安全可靠。v（4）以頻譜分析法作為故障診斷的主要手段，利用傅立葉變換、相關性分析、倒頻譜分析等信號處理方法對采集到的

10、信號提取頻率成分，與故障信號頻率進行比較，從而給出可能發(fā)生故障的概率大小，方便維修人員在故障發(fā)生后迅速定位。134 提升設備常見故障及監(jiān)測參量選定提升設備常見故障及監(jiān)測參量選定 提升設備主要由拖動與控制系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、主軸裝置、潤滑系統(tǒng)等組成。 常見故障包括：高壓線路溫度過高、制動油溫度過高、潤滑油溫度過高、轉子振動故障 、滾動軸承故障 、齒輪故障等。14v高壓線路溫度監(jiān)測 將溫度傳感器安裝于調(diào)速柜三相輸入端、換向柜三相輸入端、換向柜三相輸出端、高壓進線柜三相輸入端。v制動油及潤滑油溫度監(jiān)測 將具有防腐特性的溫度傳感器探頭插入液壓站和潤滑油泵的油箱內(nèi)。 15v機械系統(tǒng)軸承溫度的監(jiān)

11、測 將溫度傳感器探頭插入軸承座的安裝孔內(nèi)，離軸承最近。v機械系統(tǒng)軸承振動的監(jiān)測 將振動傳感器安裝在軸承座上，監(jiān)測垂直、水平和軸向的振動。165 無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)協(xié)議及技術無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)協(xié)議及技術系統(tǒng)設計技術要求：v系統(tǒng)應具有搭建方便、擴展靈活、傳輸距離長、誤碼率低、性能穩(wěn)定等特點。v信號采集模塊應與發(fā)射模塊融為一體，且具有抗高溫、抗強磁、抗腐蝕、功耗低、體積小、安裝簡單等特點。v上位機應能實時顯示監(jiān)測量，一旦超限立即報警，并具有報警記錄查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、電量查詢、拓撲查詢等功能。17v 依據(jù)系統(tǒng)設計要求，比較當前流行的幾種無線通信技術，最終選擇ZigBee 技術組建無線傳感器網(wǎng)絡。

12、ZigBee協(xié)議具有低功耗、低成本、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，適合礦用設備的狀態(tài)監(jiān)測。 市場名標準Wi-FiIEEE802.11b藍牙IEEE802.15.1ZigBeeIEEE802.15.4系統(tǒng)資源1MB+250KB+4KB-32KB電池壽命（天）0.5-51-7100-1000+網(wǎng)絡大小327255/65,000帶寬（KB/s）11,000+72020-250傳輸距離（米）1-1001-10+1-100+優(yōu)點速度、靈活性價格便宜、方便可靠、低功耗、價格便宜應用重點Web，Email，圖像電纜替代品監(jiān)測、控制18 ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議是基于標準的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型和IEEE 802

13、.15.4標準的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。它具有功耗低、通信可靠、數(shù)據(jù)安全、自組織能力強、自愈能力強、工作頻段靈活等優(yōu)點。 IEEE802.15.4標準定義了物理層和介質接入控制子層(MAC)。 ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層框架的設計。硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)ZigBee應用層ZigBee網(wǎng)絡層IEEE802.15.4 MAC層 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4868/915MHz物理層 2.4GHz物理層19（1）提升設備無線監(jiān)測方案設計 綜合上述系統(tǒng)設計要求，制定如下監(jiān)測方案：v利用安裝在軸承座上的三向無線振動節(jié)點，對提升機天輪、電機、減速器和滾筒的軸承進行垂直、水平和軸向

14、的振動監(jiān)測。 v利用安裝在軸瓦、液壓站、潤滑油站、調(diào)速柜、高壓換相柜和電機上的無線溫度節(jié)點進行溫度監(jiān)測。v利用中繼網(wǎng)橋擴大ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測范圍。v以LabVIEW為主體，結合MATLAB、串口編程、數(shù)據(jù)庫等技術，實時采集顯示振動和溫度數(shù)據(jù)、越限報警、故障診斷等功能。20（2）無線振動傳感器網(wǎng)絡設計v 提升設備振動監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡：v 網(wǎng)絡結構：星型拓撲，每個節(jié)點均擁有一條直接通向網(wǎng)關的通道。v 網(wǎng)絡物理層：IEEE802.15.4協(xié)議2.4GHz 頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率v 250Kb/s，使用范圍大，抗干擾能力強。v 無線振動節(jié)點：測量軸承三向振動加速度，傳輸距離大于100米（可

15、v 利用網(wǎng)橋中繼），功耗低，外殼防水。21 根據(jù)設計要求，訂制網(wǎng)關、三向無線加速度節(jié)點和網(wǎng)橋組建無線振動傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構如圖所示：22v無線加速度節(jié)點安裝v 在提升機的天輪、電機、減速器和滾筒的軸承座上打孔，用螺栓將無線加速度節(jié)點水平固定在軸承座上，保持Z方向向下，天線與網(wǎng)關靠近且在同一直線上，現(xiàn)場安裝如圖。23（3）無線溫度傳感器網(wǎng)絡設計v提升設備溫度監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡：v網(wǎng)絡結構：星型拓撲，每個節(jié)點均擁有一條直接通向網(wǎng)關的通道。v網(wǎng)絡物理層：IEEE802.15.4協(xié)議915MHz 頻段,數(shù)據(jù)傳輸速率v 40Kb/s。v無線溫度節(jié)點：測量軸瓦、液壓站、潤滑油、開關柜和電機溫度，v 傳輸

16、距離大于100米功耗低（更換電池），抗高v 溫、抗電磁。24v 根據(jù)設計要求，訂制網(wǎng)關和無線溫度節(jié)點組建無線振動傳感器網(wǎng)絡，網(wǎng)絡結構如圖所示：25v無線溫度節(jié)點安裝v 將導熱硅膠片兩面的保護塑料片取下，貼在無線溫度節(jié)點的背面，然后再將無線溫度節(jié)點粘在被測物體表面（如圖 a）；將溫度探頭伸入監(jiān)測軸瓦內(nèi)，使用捆綁扎帶或者螺釘將溫度節(jié)點主體固定（如圖 b）。天線與網(wǎng)關靠近且在同一條直線上。圖 a圖 b266 6 狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)軟件設計狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)軟件設計 基于無線傳輸?shù)牡V井提升設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)采用LabVIEW編程，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的讀取、處理、通信、故障判斷和數(shù)據(jù)存儲等功能，軟件系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，設計如下圖所示。27v故障分析故障分析 振動故障分析的步驟為：v初級判斷：計算監(jiān)測點的振動烈度，依據(jù)國標ISO2372標準，當某處烈 度大于6mm/s時表明此處振動偏大，可能存在異常。需要對 該處信號做進一步分析。v進一步分析：在分析子程序中對信號進行進一步分析。分析的內(nèi)容包