煤礦機械設備動態監測關鍵技術研究與應用

朱慧慧,魏亞東,孔國鋒

（山東省兗州煤業股份有限公司鮑店煤礦，山東濟寧，273513）

煤礦大型機械裝備日益向著大型化、復雜化、高速化、高效化和自動化的方向發展，機械裝備狀態物理量的變化呈現出隨機性、多維性、時變性、耦合性和非線性等特點。煤礦機械設備動態監測資料對認識煤礦的地質特征，掌握煤礦井的性質，煤礦的壓力、溫度、注入產出特征及煤礦井連通情況起著重要作用。通過對動態監測資料的分析，對煤礦開發狀況及開發形勢進行評價，在搞清煤礦狀況及剩余煤礦分布規律的基礎上明確了煤礦開發調整的對象，為分層調整挖潛提供了依據。本文主要研究光纖傳感技術在煤礦機械設備動態監測領域的使用。

1 光纖傳感在煤礦機械設備動態監測應用

針對監測系統的檢測頻率,構建監測系統的形式一般可以分為離線式監測系統和實時在線式監測系統兩種，本文介紹的是實時在線式監測系統。

在線監測模式是在設備運行中實時的對設備進行監測。在機械設備中,如壓縮機、機錄群的工作狀態中,在線監測系統可通過安裝在機組上的光纖光柵傳感器實時的獲取機組的狀態參數,并對機組的運行情況進行評估,判斷機組是否在正常的狀態下運行,并對機組健康狀態進行長期實時監測監測,確保機組生產的正常運行。實時在線監測系統適用于對生產影響極大,故障率較高的重要設備,依靠監測設備實時或動地巡檢設俗狀態。可由單機或多機組成系統,其安全可靠性能高。

虛線中所包括的硬件為工業生產現場中的機械設備和安裝在設備上的N個光纖光柵傳感器。設備的狀態參數,通過光纖傳感技術轉變為光波長信號。傳感網絡前端即生產現場中所采集到的光信號通過光纜,直接把信號送到上位機。由于光信號便于長距離傳輸,所以上位機和下位機一般都位于控制室內。這樣確保了生產現場的無電傳感,對于煤礦機械設備的監測而言,無疑增加了系統的安全性能。光信號通過光纖信號解調儀,把光信號解調為電信號。然后通過采集程序和通信模塊,把釆集到數據源源不斷的發送給上位機。現場所釆集到的數據到達上位機后,一方面通過分析處理,判斷系統的運行狀態是否正常,起到預警的作用;另一方面選擇性的保存于機組數據庫中,建立機組狀態數據庫,方便用于后期查詢,也可起到長期監測以及趨勢預測的作用。

2 在線監測系統設計

2.1 系統的總體組成

用于機械裝備狀態監測的系統在總體構成方而與其他監測系統布箱眾多的相似之處,但也存在請多要點的不同,有著屬于自己的特點。從大的方面一般需要具有檢測模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據分析模塊、實時M示和報警模塊以及狀態評估模塊等兒大部分。在對基于光纖傳感技術的機械裝備實時在線檢測特點了解的基礎上,根掘其特質構建了如圖1所示檢測系統。

2.2 監測系統硬件構成

監測系統由硬件部分和軟件部分構成,其硬件部分由各種傳感器、光纖光柵振動解調儀、網絡通信設備和計算機等構成;軟件部分由各種硬件設備驅動、控制、通信軟件以及機械設備狀態監測專家評估軟件,同時還包念對所測量的數據進行處理的數據庫管理軟件等組成。由軟件和硬件系統密切配合實現長期健康監測及狀況評估功能。

2.3 系統軟件構架與實現

根據機械裝備動態在線檢測特點以及光纖傳感技術的獨有特性,在研究了振動信號的數據處理方法、數據庫設置和基于此的典型部件故障診斷方法的基礎和前提下,通過軟件編程將光纖光柵機械裝備監測系統予以實現是非常可行也是十分必要的。機械設備狀態監測系統軟件主要包括:數據解調、信號濾波、振動有效值計算、結果的輸出和保存等部分。軟件部分主要是通過時域及頻域分析,得到振動烈度、歷史趨勢圖、3D譜線圖,為機械設備狀態監測和故障分析提供有用數據。

圖1 檢測系統框圖

在光纖光纜機械設備動態監測系統的主界面可以觀察到被檢測的所有的機械裝備的運行狀態，而且可以在將溫度報警和振動報警分開提示，這樣有助于工作人員對設備的故障進行初步判斷，避免造成不必要的慌亂。另外，工作人員也可以用過雙擊主界面中的設備來查看其對應的運行狀態和記住編號。進入具體機組狀態監測界面后,可以分別看到該機組所有監測點的實時狀態以及所有被監測點的振動總值和溫度的實時數據,并以棒圖的形式直觀顯示出來。這種多樣選擇的方式有助于提高工作效率，是其更加人性化。

3 狀態評價及報警設置

由于檢查設備和檢查對象不同，從而采取的檢查手段也不盡相同，所以對設備狀態的評估方法和報警設置也存在著不同的要求。

3.1 評估方法

1）類比判斷標準。當監測系統或對象中出現兩臺或多臺相同型號的監測對象時，要使用類比判斷標準，通過對比同型號不同設備的狀態參數來判斷設備的安全狀態，特別適用于不易或無法獲得設備的健康狀態參數的情況下。

2）相對判斷標準。此判斷標準就是將設備的歷史監測數據作為該設備的健康檔案，從歷史數據中來直觀的展現設備的里歷史趨勢，通過數據的對比判斷設備偏離健康狀態的參數程度。

3）絕對判斷標準。絕對判斷標準是最常見的監測方法，即以標準中的參數作為絕對標準，將所測的參數與標準參數進行對比。通常把標準中的參數設置為絕對報警值。

3.2 報警設置

1）相位報警。一般相位報警多個傳感器聯立來完成，如當兩個傳感器所測得的數據頻率之間的理論相位或既定相位差為α，當相位小于或大于時系統就發出報警聲提示。

2）振動總值報警。振動總值報警就是當設備參數值達到了振動總值是報警的方法，也是最常用的方法。振動總值表達式一般是以振動烈度作為標準，及即是振動速度在測量頻帶內的均方根值表示振動的大小。根據檢測量的不同,振動烈度的公式可表達為

3）頻段報警。在振動總值報警的基礎上，將振動頻率細化，對各個諧波頻率分別監測的方法就是頻段報警。因為在機械設備故障中存在振動總值不變,但各個頻率振幅此消彼長，不同的故障對應著不同的頻率的現象,因此對設備設置頻段報警具有著重要的意義。首先依據設備的特征來確定測點的頻率量程，然后根據各個頻率的起始值和高頻值的截止頻率以及各個頻段預警值與報警值的大小來制定設備各頻段的報警方案。

4 總結

煤礦機械設備對人類生產、生活至關重要，其安全受到極大關注。煤礦機械設備動態在線監測是判斷此類結構和裝備是否安全的重要手段，是進行結構損傷識別和故障診斷的重要方法。然而受到當前動態在線監測技術發展水平限制，目前的振動測試系統只能實現定期或短期檢測，難以實現遠程、長期、實時在線的振動監測，這對實時掌握它們的工作狀態、評估其安全性、制定養護和維修決策是遠遠不夠的。光纖傳感技術的出現，并與動態檢測技術的有機結合為解決上述問題提供了較好手段。傳感器[J].中國激光，2011.

[1]汪弋平、王鳴、黃曉琴.基于光纖光柵偏振特性的橫向壓力

[2]沈力，基于無線通信的礦井監控系統的優化設計研究[D].重慶大學，2012.