鉴定 基于无线传输矿用设备状态监测及故障诊断系统陈莹莹 2012-1-10

1、12 矿井提升设备是煤矿生产的重要组成部分矿井提升设备是煤矿生产的重要组成部分, , 其中减速其中减速器、滚筒、天轮、器、滚筒、天轮、高压配电柜高压配电柜等设备是安全运行的关键等设备是安全运行的关键环环节。节。 据调查统计，全国煤矿发生的各类死亡事故中，提升运据调查统计，全国煤矿发生的各类死亡事故中，提升运输约占输约占10%. 70%以上的机械故障都是以振动的形式表现出来的。以上的机械故障都是以振动的形式表现出来的。高压配电柜的触头和母线排连接处等部位因过热引起绝高压配电柜的触头和母线排连接处等部位因过热引起绝缘老化甚至击穿，从而引发缘老化甚至击穿，从而引发短路短路的现象。的现象。 1 1 项

2、目概项目概况况 3 提升机滚筒主轴断裂、减速器齿轮疲劳胶合等故障也会导提升机滚筒主轴断裂、减速器齿轮疲劳胶合等故障也会导致矿井停产，造成巨大的经济损失致矿井停产，造成巨大的经济损失。l 某矿提升机出现了滚筒主轴断裂的情况，导致停产数天，造成了巨大的经济损失。l 某矿主井南侧天轮轴突然断裂，影响生产70小时。 煤矿对提升机的监测大都采用有线方式，由于测量的参数煤矿对提升机的监测大都采用有线方式，由于测量的参数较多且关键部位较多且关键部位( (如天轮如天轮) )传感器的安装不便，使得布线相当繁传感器的安装不便，使得布线相当繁琐。信号线、控制线、电源线混杂在一起时，容易受到传输琐。信号线、控制线、电

3、源线混杂在一起时，容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变得不稳定，尤其在测量点距离、电磁干扰等因素的影响而变得不稳定，尤其在测量点数较多或者通信距离较远时，系统的不稳定因素会更加严重数较多或者通信距离较远时，系统的不稳定因素会更加严重 。 4 基于以上情况，柴里煤矿与中国矿业大学联合研发基于以上情况，柴里煤矿与中国矿业大学联合研发了了“基于无线传输的矿用设备状态监测及故障诊断系基于无线传输的矿用设备状态监测及故障诊断系统统” ，该系统能够有效的提高提升设备可靠性，减少，该系统能够有效的提高提升设备可靠性，减少提升机的重大事故发生，对保障矿工的生命安全和煤提升机的重大事故发生，对保障矿工的生

4、命安全和煤矿的安全生产具有重要的现实意义矿的安全生产具有重要的现实意义. .52 项目研究内容及关键技术v 本项目综合运用了ZigBee技术、虚拟仪器、故障诊断等先进技术，针对柴里矿的实际情况，设计科学合理的研究方案，经过对柴里矿主井实地考察分析，研究国内外矿用设备状态监测及故障诊断现状，开发了基于无线传输的矿用设备状态监测及故障诊断系统。研究内容主要包含如下: （1）以无线节点为依托，构建矿用设备无线传感器网络，通过中继网桥扩大网络的覆盖范围，以网关作为簇节点接收各节点传输的数据。采用基于IEEE802.15.4协议且将发射模块与采集模块融为一体的ZigBee无线加速度节点和温度节点，远距离

5、测量提升系统各关键部位轴承座振动烈度、轴瓦温度、高压开关柜温度、液压站温度和环境温度。6 （2 2）无线节点性能设计 针对柴里煤矿提升设备监测参数繁多，布局分散，高压开关柜密封性强阻碍信号传输等问题，与专业厂家共同开发了低功耗、低成本、长传输距离的无线监测节点。 （3 3）针对煤矿大型设备结构复杂、故障种类繁多、故障特征提取困难等特点，开发了以频谱分析和温度趋势分析为主的故障诊断算法。 （4 4）设计上位机软件，以实现无线信号收发、实时显示、数据处理、越限报警、故障诊断等功能。73 基于无线传输的矿用设备状态监测及故障诊断系统 基于无线传输的矿井提升设备状态监测及故障诊断系统由提升机在线监测和

6、故障诊断两个部分构成。 提升机在线监测部分对各关键部位轴承座振动烈度、轴瓦温度、液压站温度、润滑油温度、开关柜温度和电机温度进行监测，防止轴承座振动烈度过大，高压开关柜、轴瓦、制动液和润滑油液温度过高等故障的发生。 故障诊断部分对采集的振动和温度信号进行分析处理，综合运用趋势分析法和频谱分析法，利用傅立叶变换、相关性分析、倒频谱分析等信号处理方法对采集到的信号提取频率成分，与故障信号频率进行比较，从而给出可能发生故障的概率大小；依据煤矿安全规程要求设定正常温度的范围，对超出正常范围的值进行报警，并指明温度过高的位置。 8无无线线传传感感器器网网络络协协议议及及相相关关技技术术机械机械系统系统故

7、障故障分析分析高压高压配电配电柜故柜故障分障分析析无线温度节点无线温度节点无线温度节点无线振动节点液压液压及润及润滑系滑系统故统故障分障分析析无线温度节点无线温度节点研研制制数数据据接接收收及及实实时时监监测测软软件件研研制制在在线线监监测测及及故故障障诊诊断断系系统统调速柜调速柜高压开高压开关柜关柜关键部位关键部位轴承轴承关键部位关键部位轴承轴承液压站液压站制动油制动油润滑油站润滑油站润滑油润滑油常常见见故故障障、监监测测参参数数和和监监测测位位置置9系统功能v（1）对提升机天轮、电机、减速器和滚筒的轴承的振动进行监测，对振动信号进行功率谱、频谱分析、互相关分析、小波包分析等相关分析并结合提

8、升载荷诊断机械部分可能存在的故障。v（2）通过安装在轴瓦、液压站、润滑油站、调速柜、高压换相柜和电机的无线温度节点在线监测温度，利用趋势分析法，分析温度的变化趋势，对超出阈值的温度进行报警。v（3）实时显示温度和烈度数据、无线节点信息，动态画面浏览。10v（4）系统实现了故障数据和历史数据的记录和查询功能，并能根据故障类型和时间对数据库进行查询，实时数据浏览、语音报警提示、历史数据查询等功能。v（5）系统实现了安全退出，没有权限的人员无权退出系统，保证了实时监测。v（6）系统实现了远程监测，更高领导级的计算机可看到现场工控机的画面，便于煤矿监控系统的统一管理。11项目创新点v（1）采用基于IE

9、EE802.15.4协议且将发射模块与传感器融为一体的ZigBee无线加速度节点和温度节点远距离测量提升系统各关键部位轴承座振动烈度、轴瓦温度、液压站温度和高压开关柜温度。v（2）以无线节点为依托，通过网桥将距离较远的网络互联，以网关作为簇节点接收各节点传输的数据从而形成无线传感器网络，具有覆盖范围广，扩展方便等优点。12v（3）上位机程序以虚拟仪器为平台，采用LabVIEW中生产者-消费者编程模式读取上位机串口数据、LabSQL数据存储模式、组件的设计思想，占用内存少，系统运行安全可靠。v（4）以频谱分析法作为故障诊断的主要手段，利用傅立叶变换、相关性分析、倒频谱分析等信号处理方法对采集到的

10、信号提取频率成分，与故障信号频率进行比较，从而给出可能发生故障的概率大小，方便维修人员在故障发生后迅速定位。134 提升设备常见故障及监测参量选定提升设备常见故障及监测参量选定 提升设备主要由拖动与控制系统、机械传动系统、制动系统、主轴装置、润滑系统等组成。 常见故障包括：高压线路温度过高、制动油温度过高、润滑油温度过高、转子振动故障 、滚动轴承故障 、齿轮故障等。14v高压线路温度监测 将温度传感器安装于调速柜三相输入端、换向柜三相输入端、换向柜三相输出端、高压进线柜三相输入端。v制动油及润滑油温度监测 将具有防腐特性的温度传感器探头插入液压站和润滑油泵的油箱内。 15v机械系统轴承温度的监

11、测 将温度传感器探头插入轴承座的安装孔内，离轴承最近。v机械系统轴承振动的监测 将振动传感器安装在轴承座上，监测垂直、水平和轴向的振动。165 无线传感器网络的组网协议及技术无线传感器网络的组网协议及技术系统设计技术要求：v系统应具有搭建方便、扩展灵活、传输距离长、误码率低、性能稳定等特点。v信号采集模块应与发射模块融为一体，且具有抗高温、抗强磁、抗腐蚀、功耗低、体积小、安装简单等特点。v上位机应能实时显示监测量，一旦超限立即报警，并具有报警记录查询、历史数据查询、电量查询、拓扑查询等功能。17v 依据系统设计要求，比较当前流行的几种无线通信技术，最终选择ZigBee 技术组建无线传感器网络。

12、ZigBee协议具有低功耗、低成本、组网灵活等优点，适合矿用设备的状态监测。 市场名标准Wi-FiIEEE802.11b蓝牙IEEE802.15.1ZigBeeIEEE802.15.4系统资源1MB+250KB+4KB-32KB电池寿命（天）0.5-51-7100-1000+网络大小327255/65,000带宽（KB/s）11,000+72020-250传输距离（米）1-1001-10+1-100+优点速度、灵活性价格便宜、方便可靠、低功耗、价格便宜应用重点Web，Email，图像电缆替代品监测、控制18 ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型和IEEE 802

13、.15.4标准的近距离无线组网通讯技术。它具有功耗低、通信可靠、数据安全、自组织能力强、自愈能力强、工作频段灵活等优点。 IEEE802.15.4标准定义了物理层和介质接入控制子层(MAC)。 ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的设计。硬件实现硬件实现ZigBee应用层ZigBee网络层IEEE802.15.4 MAC层 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4868/915MHz物理层 2.4GHz物理层19（1）提升设备无线监测方案设计 综合上述系统设计要求，制定如下监测方案：v利用安装在轴承座上的三向无线振动节点，对提升机天轮、电机、减速器和滚筒的轴承进行垂直、水平和轴向

14、的振动监测。 v利用安装在轴瓦、液压站、润滑油站、调速柜、高压换相柜和电机上的无线温度节点进行温度监测。v利用中继网桥扩大ZigBee无线传感器网络的监测范围。v以LabVIEW为主体，结合MATLAB、串口编程、数据库等技术，实时采集显示振动和温度数据、越限报警、故障诊断等功能。20（2）无线振动传感器网络设计v 提升设备振动监测无线传感器网络：v 网络结构：星型拓扑，每个节点均拥有一条直接通向网关的通道。v 网络物理层：IEEE802.15.4协议2.4GHz 频段，数据传输速率v 250Kb/s，使用范围大，抗干扰能力强。v 无线振动节点：测量轴承三向振动加速度，传输距离大于100米（可

15、v 利用网桥中继），功耗低，外壳防水。21 根据设计要求，订制网关、三向无线加速度节点和网桥组建无线振动传感器网络，网络结构如图所示：22v无线加速度节点安装v 在提升机的天轮、电机、减速器和滚筒的轴承座上打孔，用螺栓将无线加速度节点水平固定在轴承座上，保持Z方向向下，天线与网关靠近且在同一直线上，现场安装如图。23（3）无线温度传感器网络设计v提升设备温度监测无线传感器网络：v网络结构：星型拓扑，每个节点均拥有一条直接通向网关的通道。v网络物理层：IEEE802.15.4协议915MHz 频段,数据传输速率v 40Kb/s。v无线温度节点：测量轴瓦、液压站、润滑油、开关柜和电机温度，v 传输

16、距离大于100米功耗低（更换电池），抗高v 温、抗电磁。24v 根据设计要求，订制网关和无线温度节点组建无线振动传感器网络，网络结构如图所示：25v无线温度节点安装v 将导热硅胶片两面的保护塑料片取下，贴在无线温度节点的背面，然后再将无线温度节点粘在被测物体表面（如图 a）；将温度探头伸入监测轴瓦内，使用捆绑扎带或者螺钉将温度节点主体固定（如图 b）。天线与网关靠近且在同一条直线上。图 a图 b266 6 状态监测及故障诊断系统软件设计状态监测及故障诊断系统软件设计 基于无线传输的矿井提升设备状态监测及故障诊断系统采用LabVIEW编程，实现无线传感器网络数据的读取、处理、通信、故障判断和数据存储等功能，软件系统采用模块化的设计思想，设计如下图所示。27v故障分析故障分析 振动故障分析的步骤为：v初级判断：计算监测点的振动烈度，依据国标ISO2372标准，当某处烈 度大于6mm/s时表明此处振动偏大，可能存在异常。需要对 该处信号做进一步分析。v进一步分析：在分析子程序中对信号进行进一步分析。分析的内容包