礦用乳化液泵站在線監測系統設計應用*

王玲玲

(晉能控股煤業集團 永定莊煤業公司，山西 大同 037003)

0 引 言

近年來，隨著煤礦開采量以及開采深度的不斷增加，煤礦綜采工作面的支護難度越來越大。液壓支架是煤礦開采過程中最重要的機械設備，其配套的乳化液泵站是重要的動力驅動裝置，在控制和維持液壓支架穩定運行過程中發揮著重要的作用[1]。乳化液泵站主要由乳化液泵組、乳化液箱、過濾器以及液壓介質等部分組成，在煤礦井下使用時，它會隨著工作面的移動而不斷向前移動[2-4]。乳化液泵站在使用過程中時常會出現各種故障，如供液壓力超標、閥門開閉不暢、柱塞密封損壞及泵運轉噪聲大等問題，這些故障嚴重影響了乳化液泵站的性能以及液壓支架的可靠性[5]。

按照煤礦安全管理要求，應該每日對乳化液泵站進行維護和檢查。傳統的人工檢測主要是利用人體感官對某些故障進行檢測，通過視覺、聽覺以及嗅覺等方式對乳化液泵站的運行狀態進行判斷。受煤礦井下環境的干擾，人工檢測方式存在效率低、檢測準確度差、勞動強度大、危險系數高等問題，極易因檢測不到位而引起煤礦事故[6]。為此，筆者對乳化液泵站常見故障類型及乳化液泵站監測重點部位特征進行分析，提出了一種基于B/S和C/S技術的礦用乳化液泵站在線監測系統方案，通過使用不同的功能模塊進行監控，對乳化液泵站的每一步動作進行細致監測，實現對煤礦井下乳化液泵站的遠程在線監控。現場應用表明，此套在線檢測系統具有監測精度高、受外部干擾小、自動化程度高等優點，可有效避免煤礦事故發生，具有良好的應用效果。

1 礦用乳化液泵站結構組成及常見故障分析

1.1 乳化液泵站結構組成

礦用乳化液泵站主要用于向綜采工作面液壓支架和工作面單體液壓支柱提供液壓油，是液壓支架的動力源，液壓泵站的工作性能將會直接決定液壓支架的使用效果和安全性[7]。礦用乳化液泵站由乳化泵、防爆電動機、聯軸器、乳化液箱、底部支撐架和附屬裝置組成，乳化液泵一般配置2臺，一用一備，備用乳化液泵用于輪換檢修。當實際的綜采工作面液壓支架需要增加供液時，可以使用兩臺泵同時工作，以滿足生產的需要。乳化液泵站的穩定可靠運行對于保證煤礦安全生產具有至關重要的作用。

1.2 乳化液泵站常見故障與監測方式

乳化液泵站是由多個部分組成，在實際運行過程中，因長期處于多塵、潮濕、腐蝕性氣體以及電磁輻射環境中，乳化液泵站非常容易受環境的影響出現運行異常，從而引起煤礦事故[7]。為了保證乳化液泵站的正常工作，應對主要故障類型進行分析，以下為乳化液泵站常見故障類型。

(1) 乳化液泵站啟動環節故障。在乳化液泵站啟動環節，最常見的故障有無法正常啟動、啟動后泵的壓力不足、無流量或流量值較低，針對此類故障需要對動力電源的輸入、電磁閥的開啟情況、線路以及按鈕進行檢查，對于泵啟動后的壓力不足，則需要對控制閥芯進行檢查，必要時需要清洗閥芯。針對無流量或流量值較低的問題，需要檢查管路的排氣問題，保證乳化液暢通，對密封部位進行檢測。

(2) 乳化液泵站運行過程中的故障。在乳化液泵站運行過程中可能會出現壓力驟升、乳化液泵振動異常、溫度突然升高、泵內傳動機構碰撞等異常。當液壓設備不需要進行高壓乳化液供給時，泵站內的壓力會有一定程度地提高，但是當壓力突然出現上升時，有可能是管路系統中存在堵塞問題，此時就需要對主閥或卸荷閥進行檢查，有可能是閥門控制無法正常開啟或關閉導致。針對乳化液泵振動異常，常見的原因有液位較低、乳化液泵內齒輪磨損較為嚴重、軸承運轉出現異常，此時就需要對液位進行檢查，必要時進行及時添液，并對關鍵結構進行檢查。對于乳化液升溫過快現象，有可能是潤滑油受環境的影響出現變質問題。

現有的乳化液泵站監測技術采用的是人工巡檢，此方式存在故障采集困難、效率低、結果可靠性低等問題，只有當故障特征非常明顯時才能夠準確識別，所以容易因為監測不到位而引起煤礦事故。隨著技術的發展，實現乳化液泵站的遠程監測逐漸成為關注的重點。現有的研究是面向過程的開發方式，無法實現自學習與故障自診斷，因而擴展性比較差。而利用B/S和C/S技術設計遠程在線監測系統可以準確識別并采集乳化液泵站故障特征并對其進行在線監測，能夠有效避免事故的發生。

2 礦用乳化液泵站在線監測系統總體方案設計

礦用乳化液泵站在線監測系統融合了傳感器檢測技術、網絡通訊技術、故障智能識別與診斷軟件技術等，實現了對礦用乳化液泵站關鍵部位物理信號的采集、信號的處理、發送和診斷分析全過程，并最終通過網絡通訊技術實現遠程在線監控。圖1所示為乳化液泵站在線監測系統總體設計方案。

圖1 乳化液泵站在線監測系統總體技術方案

如圖1所示，乳化液泵站在線監測系統方案主要由乳化液泵站信號采集模塊、信號監控儀、數據采集卡、監測與診斷系統軟件以及網絡通訊系統等部分組成。采用振動傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、油壓傳感器等采集乳化液泵站關鍵部位的相關信號，并通過監控儀對信號進行初步放大處理，監測與診斷系統軟件對檢測到的信號進行智能化診斷和分析，得出故障的類型，并發送到本地端和遠程端，由網絡通訊系統實現本地端與遠程端之間的數據傳輸和在線監測。

3 硬件系統與軟件系統架構設計

3.1 硬件系統設計與選型

礦用乳化液泵站在線監測硬件系統主要由各種類型的傳感器、數據采集卡、監測與診斷系統軟件、網絡通訊系統等部分組成。其中檢測傳感器主要包括溫度傳感器、振動傳感器、液位傳感器、油壓傳感器[8]。選用煤礦SHT31溫度傳感器，工作電壓范圍為2.4～5.5 V，信號處理能力比較強；選用CD-6型無源磁電式振動速度傳感器，頻響范圍為5～1 000 Hz；采用ZT6302L型監測儀作為中間信號調理設備；選用BOY-WR04液位傳感器，防護等級為IP68，實現液位采集、控制和遠程數據傳輸一體化；選用MIK-P300油壓檢測儀采集乳化液泵站的壓力信號，測量范圍為0.1～60 MPa，精度等級為0.5級。選用ART-PCI8622型數據采集卡，實現250 Kb/s采樣的速率。

3.2 軟件系統架構

基于B/S和C/S的遠程在線監測系統主要包括客戶端計算機、Internet網絡、web網絡、數據庫服務器、數據采集服務器、數據采集裝置以及傳感器等部分，不同于傳統的乳化液泵站檢測，此系統基于B/S和C/S技術建立了網絡拓撲結構，圖2所示為系統拓撲圖。

圖2 軟件系統整體架構

由圖2可看出，乳化液泵站的特征信號通過傳感器進行采集，由數據采集服務器進行處理后通過以太網傳輸到數據庫服務器中，并上傳到web服務器中，最終通過Internet網絡建立多臺客戶計算機之間的數據共享，從而實現了對乳化液泵站的在線遠程監測。為了對采集到的大量數據進行集中管理，使用SQL Server建立了數據庫，通過設計的數據采集服務器與web數據服務結合，實現實時數據傳輸，圖3所示為遠程在線監測系統數據流。

圖3 遠程在線監測系統數據流

從圖3中可得出，設計的遠程在線監測系統不僅使用了SQL Server建立了用于記錄歷史數據的數據庫管理系統，同時使用Web數據服務器實現數據的實時傳輸，最終直接在客戶端可視化顯示，大大縮短了數據的傳輸路徑，提高了數據傳輸的效率。隨后通過軟件系統進行故障診斷和分析，對提取出的故障特征進行在線監控。

軟件系統執行數據采集后的處理和分析過程，是整個在線檢測系統的大腦。圖4所示為礦用乳化液泵站在線監測系統軟件流程圖。軟件系統首先通過數據初始化，對控制程序進行動態刷新，隨后讀取對應的檢測位置點的信號，包括振動信號、溫度信號、液位信號以及壓力信號等，采集到的信號經信號調理電路處理后，通過在線監測系統在線可視化顯示，當設備出現故障時將會自動報警，隨后自動生成歷史記錄[9]。通過可視化監控系統可以對乳化液泵站關鍵部位的信號特征進行動態顯示，顯示更加直觀和豐富。

圖4 乳化液泵站在線監測系統軟件控制流程圖

4 現場應用

為了驗證礦用乳化液泵站遠程在線監測系統方案的合理性和可行性，在孟家窯煤礦對綜采工作面乳化液泵站進行現場測試和安裝，圖5所示為上位機監控系統界面。

圖5 乳化液泵站在線監測系統現場應用效果

不同顏色的指示燈可以顯示系統的不同報警狀態，警示狀態分別為報警、預警和正常運行。當參數超出正常區間時，將會發出警報信號。分析員登錄系統以后，對乳化液泵的歷史數據進行相關的查看與分析[10]。數據分析模塊中包括了流量分析、壓力分析、油溫分析、液溫分析、轉速分析和轉矩分析以及對泵組綜合噪聲信號的分析和處理等，切換界面可查看各測點實時波形分析。通過波形分析先進行粗略故障診斷，判斷故障大致可能位置。建立的數據庫使得系統具有了自動生成歷史記錄功能，可以通過自動生成歷史模塊將乳化液泵站的實際運行狀況自動導出歷史記錄，便于對故障進行分析和對后期作出預判，圖6所示為2012年11月18日檢查的歷史記錄。

圖6 乳化液泵站動作歷史記錄表

現場應用結果表明，設計的乳化液泵站在線檢測系統可以準確采集乳化液泵站參數，及時準確識別乳化液泵站故障，提前預警事故的發生，響應時間<0.62 s，故障準確率≥98.7%，誤警率<1.3%。經過長達8個月的運行驗證說明該方案設計合理，具有穩定可靠、信號傳輸速度快、識別準確度高等優點，具有良好的應用效果和經濟效益。

5 結 語

針對礦用乳化液泵站傳統檢測方式存在的勞動強度大、檢測精度低、效率低且無法實現在線檢測等問題，提出了基于B/S和C/S架構的乳化液泵站遠程在線監測系統方案，通過對硬件系統和軟件系統架構的優化設計，實現了對乳化液泵站特征信號的準確提取、轉換、分析和發送，經現場應用表明：這套遠程在線監測系統可以準確采集有關參數并進行分析，能夠對泵站中的液位高度、溫度信號、振動信號等進行準確采集并分析，可通過Internet網絡實現數據的遠程在線多端同步，具有響應速度快、監測效率高、檢測結果穩定等優點，現場使用取得了良好的應用效果，具有很好的推廣價值和市場前景。