礦用風(fēng)機狀態(tài)監測與故障診斷系統

礦井主通風(fēng)機是向井下送風(fēng)的重要設備，也是大型耗能設備，對其實(shí)現在線(xiàn)監測監控，使之始終運行在良好狀態(tài)，對于保障煤礦安全生產(chǎn)，保護礦工生命和企業(yè)財產(chǎn)安全，降低風(fēng)機能耗具有重要意義。
泰恩科技成功研制開(kāi)發(fā)的礦井主風(fēng)機在線(xiàn)監控系統，綜合利用現代傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)，基于企業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現主風(fēng)機運行參數、通風(fēng)數據的實(shí)時(shí)監測與風(fēng)機主輔設備控制的一體化，監測內容豐富，控制功能完善，具有實(shí)時(shí)性強、安全可靠、操作方便、易學(xué)易用的特點(diǎn)。

泰恩科技TN-TA10000電子檢測系統大型風(fēng)機在線(xiàn)監測系統主要由監控系統、上位機冗余組態(tài)軟件系統、傳感器系統三大部分組成。

該系統在線(xiàn)監測模塊能夠自動(dòng)地對機組運行狀態(tài)下的振動(dòng)、溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓、流量參數進(jìn)行監測，并按設定的存儲規則存儲數據，出現報警時(shí)能夠自動(dòng)連續存儲報警前和報警后一定時(shí)間的振動(dòng)和溫度、風(fēng)速、流量等數據。

根據振動(dòng)、溫度、風(fēng)速、流量信號的趨勢圖可以判斷設備當前的運行狀態(tài)，當出現故障時(shí)，可以對振動(dòng)信號的趨勢圖、波形圖、頻譜圖等多種圖譜進(jìn)行分析，判斷故障部位、故障原因和故障程度，為保證設備的安全運行、適時(shí)安排檢修提供可靠的依據。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現遠程瀏覽和分析，局域網(wǎng)或Internet網(wǎng)任一客戶(hù)端均可瀏覽和分析機組的運行狀態(tài)，實(shí)現遠程故障診斷功能。

1.系統技術(shù)方案
1.1 簡(jiǎn)易系統網(wǎng)絡(luò )框圖

圖1 在線(xiàn)監測與故障診斷系統建議框圖

　　1.2 系統說(shuō)明
　　1) 在線(xiàn)監測與故障診斷系統由現場(chǎng)采集器、數據中心服務(wù)器、用戶(hù)本地客戶(hù)端組成。其中數據采集器可以通過(guò)光纖、網(wǎng)線(xiàn)等方式將數據傳給數據中心。
　　2) 現場(chǎng)采集器：用于振動(dòng)、溫度、風(fēng)速、流量等信號的采集、濾波、放大、調理、A/D轉換、傳輸等功能;有防爆和非防爆兩種類(lèi)型，用于不同危險場(chǎng)合。
　　3) 數據中心用來(lái)保存在線(xiàn)監測系統采集的數據，也存儲巡檢系統采集的數據，兩種數據統一管理和查詢(xún)。
　　4) 客戶(hù)端，局域網(wǎng)上任意一臺計算機都可以作為客戶(hù)端來(lái)瀏覽數據。
　　1.3 系統特點(diǎn)
　　1) 監控系統采用雙CPU，能夠快速準確可靠地完成監測監控功能;
　　2) 上位機應用軟件采用冗余組態(tài)軟件系統，使得系統更加安全可靠;
　　3) 系統可根據現場(chǎng)應用需求靈活配置，伸縮性強;
　　4) 測控功能上的網(wǎng)絡(luò )化、WEB化。
　　1.4 系統主要功能
　　1) 實(shí)時(shí)監測風(fēng)機風(fēng)壓(靜壓、全壓)、風(fēng)速風(fēng)量、軸承溫度、定子溫度、電網(wǎng)電流、電壓、功率、電機與風(fēng)機效率、風(fēng)峒大氣參數(溫度、濕度、大氣壓力)等風(fēng)機運行各種參數;
　　2) 監測風(fēng)門(mén)位置、風(fēng)機開(kāi)停狀態(tài)、反風(fēng)信號和電機編號等風(fēng)機運行多種狀態(tài)信息;
　　3) 控制風(fēng)門(mén)開(kāi)/關(guān)、風(fēng)機啟/停;
　　4) 自動(dòng)閉鎖控制，保證系統安全;
　　5) 具有現場(chǎng)控制、遠程控制、手動(dòng)控制等多種控制方式;
　　6) 在控制中心，通過(guò)液晶電視對風(fēng)機機房進(jìn)行24小時(shí)監視，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器實(shí)現24小時(shí)遠程監視。
　　1.5 系統軟件功能
　　1) 接收、處理、存儲、顯示處理器系統上傳的現場(chǎng)數據，顯示方式多樣，生動(dòng)直觀(guān);
　　2) 自動(dòng)生成各類(lèi)報表，內容豐富翔實(shí);
　　3) 實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)繪制;
　　4) 實(shí)時(shí)監測各類(lèi)參數，具有超限報警并記錄報警信息的功能;
　　5) 系統設置了操作權限，只有獲得權限的人員才可以操作系統;
　　6) 支持遠程網(wǎng)絡(luò )瀏覽和控制。
　　2 采集分析系統設計方案
　　2.1 系統的抗干擾設計
　　2.1.1 系統信號地與被測地隔離,克服被測地的不確定對測試系統的影響。
　　2.1.2 合理的接地和屏蔽，使現場(chǎng)的任何干擾信號均不能進(jìn)入被測信號回路，因此系統需要具有的抗力;
　　2.1.3 使用隔離電源,保證現場(chǎng)周邊任何設備的起停機及改變工作狀態(tài)造成的電網(wǎng)電壓波動(dòng)及浪涌等對本系統都不產(chǎn)生任何影響,確保系統的正常工作，避免誤報警。
　　2.2 系統的可靠性設計
　　2.2.1 根據相關(guān)的國家技術(shù)標準設計、生產(chǎn)所有產(chǎn)品，并嚴格執行ISO9001質(zhì)量管理體系，保證產(chǎn)品的高質(zhì)量和可靠性;
　　2.2.2 采用*的工藝流程，大規模集成電路，全貼片工藝，體積小，功耗低，保證了可靠性;
　　2.2.3 所有部件和整機根據國家標準,均經(jīng)過(guò)多次高低溫試驗,保證設備出廠(chǎng)前篩選出器件的早期失效;
　　2.2.4 所有設備出廠(chǎng)前均進(jìn)行了應用于航天設備的隨機振動(dòng)篩選(10Hz～2kHz、2g的隨機振動(dòng),三向每向二十分鐘)，大大提高了系統的可靠性;
　　2.2.5 數據采集器內嵌了與品牌工控合作定制的適合惡劣環(huán)境使用的工控機，專(zhuān)門(mén)用于動(dòng)態(tài)信號的數據采集系統，舍棄不需要的功能,提高可靠性，還加快了處理速度;
　　2.2.6 每通道均設置了一組信號處理系統,強大的實(shí)時(shí)處理功能,保證監測信號一點(diǎn)不丟的進(jìn)行處理, 設備的任何瞬間故障，特征信號都不會(huì )遺漏;采用硬件處理器,對于長(cháng)時(shí)間連續工作的CPU,提高可靠性;
　　2.2.7 數采與工控機之間的通訊,采用了層的PCI總線(xiàn)協(xié)議，數據傳輸更加穩定可靠;
　　2.2.8 工控機的存儲媒體,采用大容量硬盤(pán)，增強硬件的抗振性和長(cháng)期連續工作的可靠性;
　　2.2.9 工控機工作于LINUX操作環(huán)境，保證系統長(cháng)期運行更加穩定、可靠，避免了受病毒入侵的風(fēng)險;
　　2.2.10 采集器與外部系統通訊中斷時(shí)(如網(wǎng)線(xiàn)斷開(kāi)，網(wǎng)絡(luò )阻塞等)，系統可獨立工作，等網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)采集終端會(huì )自動(dòng)與數據中心建立連接，數據重新上傳到中心數據庫中;其獨立運行能力取決于采集器自身所帶存儲器的空間;
　　2.2.11 系統具備完善的系統自檢功能：開(kāi)機、定時(shí)或用戶(hù)需要的任何時(shí)間,均可對從傳感器到軟件的所有部分進(jìn)行自動(dòng)故障檢測。
　　2.2.12 振動(dòng)采集卡
　　振動(dòng)采集卡允許接入多種測振傳感器，如電渦流位移傳感器、磁電速度傳感器、ICP加速度傳感器等等，采集卡為傳感器提供相應的供電電源。每張采集卡2個(gè)通道，每個(gè)通道獨立同步工作，互不干擾。
　　2.2.13 緩變量采集卡
　　測量溫度等參數的測量采集、報警判斷等。
　　2.2.14 每通道獨立的16位A/D轉換器用于動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號的采樣，保證所有通道并行同步工作;
　　2.2.15 每臺采集器內均采用嵌入式工控機處理系統，用于參數設置,采樣控制, 報警判斷及動(dòng)態(tài)數據和特征值的網(wǎng)絡(luò )通訊。當突發(fā)事件發(fā)生時(shí),連續實(shí)時(shí)海量記錄事發(fā)前后的被測信號;
　　2.2.16 每通道設置獨立的實(shí)時(shí)處理系統，實(shí)時(shí)對所有數據連續(不丟點(diǎn))采集、FFT分析等處理，根據對被測信號處理結果的識別，判斷設備的運行狀態(tài)?？刂泼客ǖ涝O置的大容量高速數據緩沖存儲器,存貯突發(fā)事件發(fā)生前設備的運行狀態(tài)參數;
　　2.2.17 實(shí)時(shí)處理系統計算的振動(dòng)特征值包括：
　　1) 整周期采樣(有鍵相)時(shí)，特征量包括：通頻帶振幅、間隙電壓(電渦流位移傳感器輸出)、1倍頻幅值/相位、2倍頻幅值/相位、0.5倍頻幅值/相位、N倍頻幅值/相位、轉速、剩余量、歪度、峭度、波形因子、波峰因子等。
　　2) 非整周期采樣(無(wú)鍵相)時(shí)，特征量包括通頻帶振幅，4個(gè)自定義頻段能量，間隙電壓(電渦流位移傳感器的輸出)，歪度、峭度、波形因子、波峰因子等。
　　2.2.18 高性能FPGA芯片，全數字鎖相倍頻設計，不間斷精確穩定完成整周期采集;
　　2.2.19 本地數據處理與本地數據存儲功能
　　1) 當由于服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障時(shí)，歷史數據不能夠正常保存到服務(wù)器的數據庫中，采集器可以將歷史數據保存在本機存儲器內，當網(wǎng)絡(luò )恢復正常后，即將存儲器內的的歷史數據上傳給中心服務(wù)器;
　　2) 本機可以保留大量的監測數據，可完整保留多次起停機及長(cháng)達二個(gè)月的歷史數據，克服因網(wǎng)絡(luò )中斷造成的監測數據丟失的弊病。
　　2.2.20 系統自啟動(dòng)功能:系統具備自動(dòng)恢復、自動(dòng)啟動(dòng)功能，遇有意外斷電，網(wǎng)絡(luò )中斷等情況，供電和網(wǎng)絡(luò )恢復正常后，系統能自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入運行狀態(tài)，并恢復到斷電和斷網(wǎng)前的狀態(tài)，實(shí)現無(wú)人值守，保證系統長(cháng)時(shí)間連續可靠運行
　　2.3 系統通訊方式
　　根據不同客戶(hù)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境,確定工控機與數據服務(wù)器的通訊接口環(huán)境,主要包括以太網(wǎng)、光纖、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡以及本機內存儲數據通過(guò)電腦有選擇的導出。
　　3 遠程監測與故障分析軟件功能
　　3.1 軟件特點(diǎn)
　　3.1.1 兩種軟件構架：遠程在線(xiàn)監測與故障診斷軟件是基于B/S,C/S構架的組合軟件，可以根據自身監測的特點(diǎn)選擇其中一種構架，也可綜合使用;
　　3.1.2 集在線(xiàn)監測與離線(xiàn)巡檢于一體：遠程在線(xiàn)監測與故障診斷軟件是一個(gè)在線(xiàn)監測與設備點(diǎn)檢、設備的故障診斷管理的綜合軟件。進(jìn)入該系統，不僅可以管理在線(xiàn)監測系統的關(guān)鍵設備，還可以應用于采用點(diǎn)檢的設備運行狀態(tài)的監測，即該軟件平臺不僅保存在線(xiàn)監測系統的數據，還可以保存離線(xiàn)監測系統的數據。
　　3.2 系統管理功能
　　3.2.1 設備檔案管理:系統可管理用戶(hù)由報修到維修再到確認維修完成的整個(gè)流程。兼具設備檔案管理、設備維修管理等功能。
　　3.2.2 用戶(hù)權限管理：能夠對不同的用戶(hù)賦予不同的操作權限，所有登陸用戶(hù)的操作全程監控;
　　3.2.3 數據庫管理:包含日常數據管理、報警數據管理、巡檢數據管理以及數據查詢(xún)和輸出等。
　　3.2.4 數據存儲方式
　　1) 定時(shí)觸發(fā)保存：在機組正常運行狀態(tài)下，每隔一段設定的時(shí)間保存一組動(dòng)態(tài)數據，數據量可調，時(shí)間間隔可任意設定;
　　2) 事件觸發(fā)保存：機組振動(dòng)超標時(shí)，保存該機組所有測點(diǎn)報警前后的大量動(dòng)態(tài)數據。數據量大小允許設置;
　　3.2.5 數據庫類(lèi)型
　　1) 實(shí)時(shí)數據庫：保存最近24小時(shí)的動(dòng)態(tài)數據和特征值，數據間隔用戶(hù)可設置(最少1分鐘)。
　　2) 分鐘數據庫：保存最近一周的動(dòng)態(tài)數據和特征，數據間隔為30十分鐘。
　　3) 歷史數據庫：保存所有歷史數據，數據間隔為1小時(shí)。
　　4) 報警數據庫：每個(gè)報警事件對應的連續大量的動(dòng)態(tài)數據和特征，供事后分析。
　　3.2.6 典型故障案例庫
　　典型故障處理驗證后，允許將報警數據庫內相關(guān)的動(dòng)靜態(tài)數據保存到案例庫中，并編輯相關(guān)技術(shù)文本和圖片一并保存。
　　3.3 報警規則
　　3.3.1 實(shí)時(shí)監測報警：對設備實(shí)時(shí)監測，當設備運行狀態(tài)惡化時(shí)，監測系統能夠及時(shí)無(wú)遺漏的報警;
　　3.3.2 二級報警：正常狀態(tài)為綠色或藍色、超標時(shí)為黃色，達到危險值，變?yōu)榧t色。
　　3.3.3 保存報警數據：報警同時(shí)，連續不間斷采集報警前后一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)數據，并上傳數據庫服務(wù)器保存，為故障分析提供依據。
　　3.4 啟停機監測
　　3.4.1 系統設置轉速 波動(dòng)范圍，當監測轉速變化超過(guò)波動(dòng)范圍時(shí)，系統自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入起停機監測狀態(tài);
　　3.4.2 起停機監測狀態(tài)下，數據根據轉速變化和時(shí)間變化連續保存大量的動(dòng)態(tài)數據和靜態(tài)工藝量參數;
　　3.4.3 當轉速低于設定的轉速時(shí)，系統自動(dòng)識別為停機狀態(tài);
　　3.5 瀏覽功能
　　3.5.1 遠程瀏覽與診斷：診斷中心服務(wù)器通過(guò)診斷中心WEB服務(wù)器接入Internet互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)上任何的計算機都可以通過(guò)身份驗證訪(fǎng)問(wèn)中心服務(wù)器。
　　3.5.2 本地局域網(wǎng)瀏覽：系統在接入企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò )后，局域網(wǎng)上任何一臺的計算機都可以通過(guò)IE 瀏覽器查詢(xún)設備的運行狀態(tài)，無(wú)需安裝專(zhuān)用軟件。
　　3.5.3 遠程診斷中心服務(wù)器來(lái)了解設備運行情況，各級設備管理人員，無(wú)需趕赴現場(chǎng)，在辦公室甚至在家中，就可通過(guò)局域網(wǎng)或Internet，了解到機組運行的各種信息。不同地域多位診斷專(zhuān)家通過(guò)上網(wǎng)登陸數據庫服務(wù)器，實(shí)現遠程專(zhuān)家會(huì )診斷。
　　3.6 分析功能及各種圖譜
　　3.6.1 設備監測圖
　　利用被監測設備的照片、CAD示意圖片，在圖中實(shí)時(shí)顯示各個(gè)測點(diǎn)的位置和振值。

圖3 設備監測界面

　　3.6.2 棒圖顯示
　　棒圖實(shí)時(shí)顯示被測點(diǎn)振值大小以及設置的報警值和危險值，顯示機組的運行狀態(tài)。

　圖4 棒圖窗口

　　 棒圖一次最多可以顯示16個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)數值，可以同時(shí)顯示振動(dòng)的通頻、1倍頻、2倍頻幅值和相位、間隙電壓、溫度、電氣參數等;

　　 棒圖報警為二級報警，當監測值健康時(shí)棒圖為綠色，當監測值超過(guò)報警值時(shí)棒圖變?yōu)辄S色，當被監測值超過(guò)危險值時(shí)棒圖變?yōu)榧t色并閃動(dòng);正常、報警和危險顏色可調。兩級箭頭表示超標報警線(xiàn)和危險報警線(xiàn)。

　　3.6.3 趨勢分析

　　各特征參數和工藝參數隨時(shí)間的變化過(guò)程。振動(dòng)(通頻值、倍頻值)趨勢、轉速趨勢、工藝量(溫度、電壓、電流、壓力等)趨勢、相關(guān)趨勢(特征參數之間的趨勢變化);

　圖5 趨勢圖

　　3.6.4 時(shí)域分析

　　包括通頻時(shí)域波形、倍頻時(shí)域波形，波形圖上實(shí)時(shí)顯示對應測點(diǎn)的通頻值、1倍頻幅值/相位、轉速值、對應時(shí)間、0.5倍頻和N倍頻幅值等特征參數;電氣測點(diǎn)顯示波形同時(shí)，波形圖上顯示其對應的功率因數、功率及其他相關(guān)特征參數。圖形上標示了測點(diǎn)位置、當前時(shí)間、轉速、傳感器安裝角度、鍵相位置等信息。

　　圖6 時(shí)間波形圖

　　3.6.5 頻譜分析：與時(shí)域波形同步的實(shí)時(shí)頻譜，包括幅值譜、對數譜、相位譜等;切換橫坐標刻度，還可以顯示階次譜。

　　圖7 時(shí)間波形及其頻譜圖

　　3.6.6 三維譜分析

　　1) 三維時(shí)間譜圖：?jiǎn)螠y點(diǎn)振動(dòng)、電氣等動(dòng)態(tài)數據的頻譜隨時(shí)間的變化。

　　圖8 三維時(shí)間譜圖

　　2) 三維轉速譜陣(起停機分析)：起停機過(guò)程，或轉速變化超標時(shí)，顯示振動(dòng)、電氣等動(dòng)態(tài)數據的頻譜隨轉速的變化，同時(shí)顯示對應的時(shí)間。

　　3.6.7 軸心分析：在線(xiàn)監測的兩個(gè)互相垂直的傳感器，可以做軸心軌跡、二維全息、全息譜分析。

　　圖 10 軸心軌跡圖

　　3.6.8 起停機分析：根據用戶(hù)設置的額定轉速、轉速、轉速和轉速波動(dòng)范圍等參數，系統可以從正常監測自動(dòng)切換到起停機監測狀態(tài)，連續保存起停機狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數據和工藝參數，繪制振動(dòng)等動(dòng)態(tài)數據的極坐標圖、波德圖;工藝參數隨轉速的趨勢圖;轉速隨時(shí)間變化的趨勢圖;

　　圖11 起停機過(guò)程的波德圖

　　3.6.9 電機故障特征頻率計算模塊：提供電機故障特征頻率計算模塊，輸入電機相應參數，得到電機的相應參數。

　　圖12 電機特征頻率計算

　　3.6.10 軸承特征頻率計算模塊：提供軸承庫模塊，該模塊內顯示數萬(wàn)種軸承型號的歸一化特征頻率，輸入轉速值，即可計算軸承對應的特征頻率，為軸承故障診斷提供直接的判斷依據。

　　圖13 軸承特征頻率計算

　　3.6.11 軟件光標類(lèi)型：

　　1) 諧光標：頻譜圖上，移動(dòng)諧光標的1階頻率位置，圖形上顯示對應該頻率的10個(gè)倍頻的頻率和幅值，顯示在圖形窗口光標數值列表中。

　　2) 邊頻光標：用戶(hù)定義頻段，主頻后，系統計算該頻段內對應的所有邊頻頻率和對應幅值。

　　3) 雙光標：圖形上，用戶(hù)定義兩個(gè)光標的位置，顯示光標對應頻率、幅值、頻率差、幅值差。

　　4) 其他光標類(lèi)型：?jiǎn)喂鈽?、峰值搜索光標、峰值列表光標等?/span>

　　3.7 故障案例庫

　　監測系統報警后，確認的典型故障數據，可以另存到典型故障案例庫內;通過(guò)學(xué)習典型故障案例以及常見(jiàn)故障的圖譜，現場(chǎng)操作人員能夠迅速提高水平，掌握常見(jiàn)設備的故障診斷技術(shù)，從而提高企業(yè)的設備管理水平。

　　3.8 軸承庫

　　為了方便軸承的故障診斷，監測軟件內嵌上萬(wàn)種軸承型號及其參數，只要輸入軸承的型號就可以查看到該軸承的各種特征頻率。

　　圖14 軸承庫

　　3.9 遠程診斷中心技術(shù)

　　3.9.1 故障專(zhuān)家會(huì )診：當本地運行狀態(tài)報警時(shí)，監測系統將報警前后的動(dòng)態(tài)數據，溫度參數等同步上傳致數據中心服務(wù)器，并在報警提示。數據中心服務(wù)器若進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)后，任何可以上網(wǎng)的故障診斷專(zhuān)家都可以通過(guò)身份驗證調用該故障數據，實(shí)現真正意義上遠程的故障診斷。

　　3.10 遠程網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)

　　3.10.1 基于B/S網(wǎng)絡(luò )架構：任何上網(wǎng)的客戶(hù)端不需要另外安裝專(zhuān)門(mén)的診斷分析軟件就可以瀏覽各種圖譜數據。

　　3.10.2 網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù):數據傳輸過(guò)程中，需要身份認證、數據加密等保密措施。服務(wù)器數據進(jìn)行握手前，需要進(jìn)行身份認證，認證合法后，數據加密傳輸，加密方法采用國際標準的加密方法。