煤礦大型電機故障預(yù)警裝置的設(shè)計

陳 露，赫廣杰

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

0 引言

隨著煤礦井下設(shè)備機械化水平的不斷提高，電機在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是通風(fēng)機、提升機、運輸機、采掘機械等大型關(guān)鍵設(shè)備的非計劃停機給煤礦安全生產(chǎn)帶來安全隱患。煤礦電機應(yīng)用場合惡劣、周圍環(huán)境復(fù)雜，井下電氣設(shè)備需滿足防爆要求為故障預(yù)警增加難度。電機故障診斷技術(shù)隨著傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)以及計算機技術(shù)的進步取得很大發(fā)展，已經(jīng)從故障后維修向故障前兆預(yù)警方向發(fā)展[1]。

目前，煤礦井下電機控制系統(tǒng)采用PLC 控制器實現(xiàn)電機啟停功能，具有簡單的過載、缺相、短路等保護功能，基本不具備電機故障預(yù)警功能。電機故障診斷技術(shù)主要有基于模型和基于信號分析兩種類型[2]，由于電機非線性、強耦合、多變量的特性建立精確的數(shù)學(xué)模型困難，本文研究的故障預(yù)警裝置采用基于信號分析的方法，通過時域頻域等方法提取故障特征完成對電機故障的診斷功能。此外，通過礦井環(huán)網(wǎng)將采集電機運行數(shù)據(jù)上傳至地面監(jiān)控中心，有條件的礦井可以將數(shù)據(jù)傳至云平臺采用大數(shù)據(jù)算法進行故障預(yù)警。

1 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦大型電機故障預(yù)警裝置采集電機運行電壓、電流、振動和溫度數(shù)據(jù)，通過提取故障特征比對故障特征庫判斷電機故障，采用本地服務(wù)器（防爆計算機）、監(jiān)控中心服務(wù)器和云端服務(wù)器模式進行電機故障預(yù)警。系統(tǒng)主要由傳感器、礦用隔爆兼本安型數(shù)據(jù)采集箱（以下簡稱數(shù)據(jù)采集箱）、本地服務(wù)器、交換機、監(jiān)控中心服務(wù)器、云端服務(wù)器、礦井環(huán)網(wǎng)等組成，傳感器包括礦用本安型振動傳感器、電壓互感器、電流互感器以及PT100 組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

數(shù)據(jù)采集箱用于采集電機運行電量、振動和溫度數(shù)據(jù)，并與本地服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)置數(shù)據(jù)采集器主要完成上述功能。數(shù)據(jù)采集器由電量采集板、振動采集板和溫度采集板組成，其中電量采集板可采集3 路AC 0～10 V 電壓信號和3 路AC 0～5 A 電流信號，振動采集板可采集6 路振動信號，溫度采集板可采集6 路溫度信號，可滿足1 臺電機全部運行數(shù)據(jù)采集功能。

此外，采集板均設(shè)計串口和以太網(wǎng)通信功能，三種采集板采用軟件同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步處理。

2.2 傳感器選型

為提取電機運行故障特征信號不能采用常規(guī)電機保護用變送器類型傳感器，由于變送器經(jīng)過內(nèi)部電路處理已經(jīng)用于信號分析的有用信號進行濾波。電量數(shù)據(jù)采集傳感器選用準確度等級為0.5 級以上的電壓互感器和電流互感器。振動傳感器選用壓電原理靈敏度高于100 mV/g 的三軸振動傳感器，其輸出信號為疊加在直流偏置電壓的交流信號的交流電壓信號。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

電機運行數(shù)據(jù)采集是進行故障預(yù)警的基礎(chǔ)，必須保證數(shù)據(jù)的準確性。電量、振動和溫度采集板通過光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，采集板之間采用485 總線進行數(shù)據(jù)通信，溫度采集板作為通信主站，并通過Modbus TCP 協(xié)議與本地服務(wù)器進行通信。3 塊采集板的軟件流程較為相似，分別獨立運行采集程序，只是在連續(xù)采樣過程中進行同步處理，在發(fā)生故障或者預(yù)警后匯集到主站進行處理，其流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

圖3 本地服務(wù)器軟件界面

3.2 故障預(yù)警軟件設(shè)計

故障預(yù)警軟件采用高級語言VB.net 編寫，具有實時數(shù)據(jù)、頻率曲線、故障錄波、歷史數(shù)據(jù)以及故障預(yù)警等功能。軟件用小波變換提取故障特征，并與故障特征庫比對實現(xiàn)電機故障診斷，結(jié)果采用概率形式進行故障預(yù)警，如80%概率出現(xiàn)軸承故障，軟件界面如圖3 所示。

此外，監(jiān)控中心服務(wù)器主要用于顯示電機運行數(shù)據(jù)以及本地服務(wù)器故障預(yù)警結(jié)果，云端服務(wù)器主要用于存儲電機海量運行數(shù)據(jù)以及后期基于大數(shù)據(jù)算法的電機故障預(yù)警軟件開發(fā)。

4 結(jié)束語

煤礦大型電機故障預(yù)警裝置已應(yīng)用于某礦進行工業(yè)性試驗，前期主要用于修正軟件算法并完善煤礦電機故障特征庫，對于有經(jīng)驗的檢修師傅通過觀察軟件實時數(shù)據(jù)曲線可以對較典型的故障進行判斷，電機故障預(yù)警技術(shù)正在由計劃維修向預(yù)測性維修發(fā)展，電機故障預(yù)警裝置具有廣泛的市場前景。