煤礦大型設備在線監測與故障診斷系統的研究

申湛仙

（長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046600）

0 引言

近年來，隨著計算機技術、傳感器技術和信息通訊技術的不斷提升，煤礦井下設備的功能越來越多樣化，在實現煤礦自動化生產的同時，也產生大量的故障問題，而且有些故障問題很難被發現，從而造成設備運行中斷，降低生產效率。為了保證井下大型設備的穩定運行，在線監測和故障診斷技術必不可少，早期發現問題，在發生事故之前找出問題進行維修保養，以免造成更大的損失[1-2]，滾動軸承是煤礦中大型設備的主要零部件，在煤礦大型設備的故障中，滾動軸承出現故障的概率約為30%，利用故障診斷技術對滾動軸承進行監測和故障判斷，可以有效的將事故的故障發生率降低75%，維修費用可以降低25%左右。

1 滾動軸承故障分析

1.1 滾動軸承結構

滾動軸承的結構圖如下圖所示，主要結構包括：內圈、外圈、滾動體和支撐體四個部分組成。內圈和外圈的轉動時相對的，通過中間滾動體的連接，可以固定外圈，而使內圈處于隨軸轉動的狀態。滾動體的形狀可以是球、球迷滾子、圓錐滾子等，滾動體在滾道內可以自由轉動，為了使滾動體的受力均勻，在滾動體的外部增加支撐架，將滾動體均勻分割開，避免滾動體相互碰撞的同時，可以將滾動體的受力均衡，減少磨損。

圖1 軸承結構正視圖

1.2 滾動軸承振動機理

造成軸承振動的因素可以分為內部因素和外部因素，其中由于出廠前的裝配問題產生的機械結構問題、運行時的故障和軸承自身設計的結構特點成為內部因素，在軸承的運行過程中，最容易導致軸承系統出現振動的因素是運行故障，微小的振動激勵可以使軸承系統處于不正常工作狀態，這種不正常狀態又會加劇軸承的振動。在引起軸承振動的三個因素之間沒有必然的聯系，引起振動的信號具有一定的隨機性，需要根據振動的頻率，分別處理振動的造成原因，通過分析不同頻率下的振動信號，診斷故障來源。

圖2 軸承振動機理

2 模糊故障診斷策略

2.1 評價方法

模糊推理是通過給定的輸入變量，推理映射出相對應的輸出變量，模糊推理的過程包括：模糊化、模糊規則、模糊蘊含、模糊合成、反模糊化。針對以上五個因素組成的過程，可以通過模糊評判對模糊故障診斷進行判斷。模糊指標的評價分析包括：

1）將選取因素組成因素論域記為u=u1、u2…up

2）選取評價因素等級，記為 v=v1、v2…vp

3）建立模糊關系矩陣，對選取的因素進行隸屬度函數的變化，得到隸屬度，即為模糊矩陣。

4）確定評價指標之間的相互重要性順序。

5）表征評價指標重要性的加權算子和模糊關系進行合成，得出評價的結果。

6）將得到的結果與實際情況對比，對評價的結果進行分析。

2.2 診斷流程

診斷流程圖和算法流程圖如下圖3所示，在系統的故障診斷過程中，首先需要采集故障因素，形成故障征兆集合。故障征兆集合有振動信號中的峰值的大小、振動烈度、溫度信號。在模糊診斷故障確定中，選擇故障征兆與故障原因的對應關系得到故障矩陣，然后進行反模糊化，確定故障發生的原因，反模糊的方法包括最大隸屬度法、權值法。

在算法流程圖中，表示各種故障原因的集合用Y(n)表示，n個不同故障導致的故障征兆集合用X(m)表示，模糊關系矩陣用 R（m*n）表示，R（m*n）為m×n的矩陣。

圖3 診斷流程及算法流程

3 在線監測方案設計

3.1 總體結構

設備在線監測故障診斷的信息傳輸時通過工業以太網和CAN總線完成的，其中在總體結構的過程控制層和管理層之間利用工業以太網進行數據交換，在設備管理處和過程控制層之間通過CAN總線進行信息交換。假定故障診斷系統的故障測點有N個，系統網絡結構如圖4所示。

根據故障發生頻率的高低，我們可以確定監測點的具體位置，主要包括：通風機、提升機、膠帶機和水泵。以上設備在運行過程中的主要部件是旋轉電機，因此，本套監測系統的監測重點在于對電機、滾筒、軸承座、減速器等的實時監測，通過軸承的振動信號輔助溫度信號的分析，判斷故障的嚴重程度。

圖4 網絡結構圖

3.2 監測系統硬件設計

3.2.1 振動監測設計

如果需要采集設備的振動參數，需要利用加速度傳感器，根據礦用本安型設備的要求，加速度傳感器的選型為KGS18，該傳感器廣泛應用在振動檢測裝置，為煤礦設備運行狀態監測、維修策略制定、故障原因分析等提供依據。該傳感器的加速度測量范圍是：0m/s2～200m/s2，輸出量為模擬信號，輸出電流的范圍是：4～20mA，工作電流小于25mA。工作過程中，利用加速度計和電荷放大器產生電流環，輸出電流。

根據系統振動監測的需求，以msp430為核心，設計振動監測硬件系統。當監測點有多個時，msp430的模擬量采集端口不夠，必須使用擴展芯片，模擬量采集擴展電路設計如下圖5所示，串口擴展芯片的型號為74HC4052D，可以將2路模擬量輸入擴展成6路，在msp430的引腳中，p8.5和p8.6模擬量輸入引腳，p8.5和p8.5為擴展端口選擇引腳，p8.5和p8.6輸出不同的高低電平時，芯片可以選擇不同的輸入通道（0_0、0_1、0_2、0_3、1_0、1_1、1_2、1_3）。

圖5 模擬量采集擴展設計

3.2.2 溫度傳感器選型

溫度傳感器選型為GWD80本安型溫度傳感器，主要用來測量煤礦井下的環境溫度，數據傳輸速率為5K，內部的溫度傳感器為PT100，測溫范圍可選擇為-20℃到60℃，具有高精度、高可靠性的優點，外殼為304不銹鋼，內殼為ABS工程塑料，數據傳輸方式為CAN總線通訊，方便監測系統組網。

3.3 測點位置安裝

對于監測系統振動的傳感器，應該安裝在靠近振動源的地方，一般在電機的軸向和徑向，針對電機的振動監測，監測點應該布放在電機的底端和電機的輸出軸端，滾筒的振動監測點布放在外部的軸承包上，用以獲取軸承的振動參數，溫度監測點一般選擇設備中最能體現設備整體溫度的地方，可以布放在電機輸出軸端和軸承包上。在減速機上的溫度傳感器應該安裝在注油孔處，監測油溫[3-5]。

4 故障診斷界面設計

根據故障診斷的需求，在管理層利用LabVIEW設計上位機監測軟件，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式，可以方便地進行程序的編寫和調試。

圖6 故障診斷監測界面

故障診斷監測界面如圖6所示，其主要功能包括：對電機溫度、振動信號的實時監測和顯示；在顯示界面的右側，可以繪制出振動點的連續振動圖；針對不同的故障部位和故障的嚴重程度，維修人員可以盡快確定故障位置，做出預處理的方案。通過右上方的歷史數據查詢，可以選擇不同的日期，查詢監測點的歷史數據[6-7]。

5 總結

在煤礦的大型設備運行過程中，最容易出故障的部位是軸承部分。本文通過對軸承工作結構和原理的分析，設計模糊故障診斷的評價方法和診斷的流程。以KGS18為核心設計振動監測系統的硬件結構，溫度傳感器選型為GWD80本安型溫度傳感器，利用LABVIEW設計上位機顯示界面，可以進行實時的溫度、振動故障顯示，具有報表查詢、趨勢分析、診斷分析等功能，實現大型設備在線監測和故障診斷，預防事故的發生，提高大型設備工作可靠性。