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(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司，山西 晉城 048000；2.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

洗選廠礦用振動篩、泵、帶式輸送機等洗選廠設備是掌控煤產(chǎn)品質量的關鍵環(huán)節(jié)，設備能否可靠運行直接關系到企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益?，F(xiàn)階段洗選廠設備運行監(jiān)控，主要是運用人工點檢方式來實現(xiàn)。洗煤車間通常是近十層樓的多層建筑結構，設備分散、監(jiān)測點多、分布不規(guī)律，人工點檢方式存在很多不足：設備工況數(shù)據(jù)無法連續(xù)跟蹤關注、監(jiān)測耗時、事故反應滯后、勞動強度大等缺點，導致洗選廠經(jīng)常出現(xiàn)振動篩橫梁和側板損壞或彈簧變形、減速器斷齒、軸承損壞等故障，現(xiàn)階段各類設備故障診斷方法和預知維護方法均是在振動信號分析為主、溫度信號為輔的基礎上提出的，因此為及時、準確地掌握設備工況變化情況，需要搭建設備振動和溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，有助于洗選工藝的順利完成，也是建設現(xiàn)代信息化洗選廠的主要途徑[1，2]。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 功能要求

1)洗選車間設備全覆蓋。個洗選車間大概有三十多臺待監(jiān)測設備，每臺設備的電機、減速器、以及激振器等其他關聯(lián)設備都需要進行振動和溫度監(jiān)測，因此涉及的監(jiān)測點多達兩百多個，因此需要根據(jù)監(jiān)測點位置分布特點合理設置監(jiān)測子站的位置，以及每個監(jiān)測子站的監(jiān)測范圍。

2)監(jiān)測分站與監(jiān)測子站之間實現(xiàn)無線通信。如前所述，洗煤廠車間內(nèi)設備分布不規(guī)律、跨樓層、車間內(nèi)粉塵大需每天沖水清洗因此環(huán)境惡劣，如按照有線監(jiān)測和有線數(shù)據(jù)傳輸方式將會在現(xiàn)場布設很多線纜，占用空間且存在大的安全隱患，因此需要基于無線通信方式搭建設備在線監(jiān)測系統(tǒng)；另外車間內(nèi)和樓層之間多為鋼架結構，要保證監(jiān)測分站與監(jiān)測子站之間可靠的無線通信，同樣要考慮監(jiān)測分站的位置選擇和管轄子站的范圍。

3)監(jiān)測總站的后端數(shù)據(jù)處理與設備健康狀態(tài)診斷。監(jiān)測總站是整個監(jiān)測系統(tǒng)的大腦，位于洗選廠監(jiān)控中心，通過網(wǎng)關利用光纖網(wǎng)絡接收所有監(jiān)測分站傳送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，除需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行解析處理、顯示、存儲、生成報表等基本功能之外，還需要具備“思考判斷”能力及時跟蹤判斷設備運行狀況并報警。

1.2 總體結構方案

總體結構方案如圖1所示，洗選廠設備工況實時監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測子站、現(xiàn)場監(jiān)測分站和監(jiān)控室監(jiān)測總站三部分組成。

圖1 總體結構方案

在電機軸承、滾筒布司座、減速器上安裝溫度傳感器實現(xiàn)設備的溫度監(jiān)測，在電機、減速器、振動篩上加裝振動傳感器實現(xiàn)振動情況的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過采集儀和定向天線通過無線網(wǎng)絡上傳至相應的監(jiān)測分站，然后數(shù)據(jù)通過光纖環(huán)網(wǎng)上傳至環(huán)網(wǎng)交換機并由監(jiān)測主站獲取，并由上位機分析軟件對信號進行分析處理和設備健康狀況診斷[3，4]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測子站硬件設計及功能要求

監(jiān)測子站結構圖如圖2所示，監(jiān)測子站主要由礦用本安型數(shù)據(jù)采集儀、礦用本安型振動數(shù)據(jù)傳感器、鉑電阻溫度傳感器和定向天線組成，主要元器件選型見表1。每個數(shù)據(jù)采集儀可以連接8個振動傳感器和8個溫度傳感器，分別采集不同設備和不同位置的振動信號、溫度信號，經(jīng)處理后采用WiFi無線通信方式發(fā)送至監(jiān)測分站[5]。

圖2 監(jiān)測子站結構圖

器件名型號數(shù)據(jù)采集儀YHC(A)加速度傳感器GBC640定向天線ZWDex-02溫度傳感器KWS-PT100礦用膠封兼本安型穩(wěn)壓電源KDW26

采集儀是自行研發(fā)的礦用本安型數(shù)據(jù)采集儀YHC(A)，基于STM32F103微控制器為核心的外圍擴展模塊作為數(shù)據(jù)采集處理板，其硬件結構如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集儀主板硬件結構

采集到的振動信號和溫度信號分別經(jīng)采集儀內(nèi)各自的調(diào)理電路進行調(diào)理，并進行模數(shù)轉換處理后轉換成標準的電壓信號輸出給STM32F103ZET6微處理器，再通過UART接口實現(xiàn)處理器與無線通信模塊EMW3162實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并以WiFi無線通信方式實現(xiàn)子站與監(jiān)測分站的數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)測子站主要實現(xiàn)的功能主要包括以下四個方面：

1)顯示功能：共設計3個顯示界面分別為：該子站8路溫度值的顯示界面、WiFi參數(shù)查詢設置界面、采樣與站號設置頁面。

2)參數(shù)設置功能：可以通過鍵盤設置實現(xiàn)翻頁、WiFi參數(shù)與溫度極限值設定。

3)警功能：如果監(jiān)測溫度值超過設定的極限值相應的指示燈變?yōu)榧t色。

4)通訊功能：實現(xiàn)監(jiān)測子站與監(jiān)測分站之間的數(shù)據(jù)通訊。

2.2 監(jiān)測分站

監(jiān)測分站選用KTW118K(C)型礦用無線通信基站，發(fā)射頻率為2.3GHz～2.50GHz，發(fā)射功率≤24dBm，傳輸方式為WiFi，最大通信距離為200m(無遮擋)，按照隊列先后順序接收各監(jiān)測子站發(fā)送的監(jiān)測信號。

因洗選車間是鋼筋混凝土的主體結構，且內(nèi)部存在很多鋼架結構，對無線信號傳輸不利；另外車間內(nèi)均為大功率機電設備，同時運行存在很強的電磁干擾，也會削弱無線信號。因此監(jiān)測分站位置的確定非常關鍵，應充分考慮每層監(jiān)測設備的安裝位置以保證大數(shù)據(jù)信號的通訊可靠，經(jīng)現(xiàn)場反復驗證：監(jiān)測分站最多可以與其上下兩個樓層臨近的監(jiān)測子站實現(xiàn)穩(wěn)定通訊，因此洗選車間存在監(jiān)測分站與監(jiān)測子站之間跨層通訊的布局情況。

3 監(jiān)控室監(jiān)測總站

監(jiān)控室監(jiān)測總站是以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺，采用生產(chǎn)者/消費者模式作為系統(tǒng)核心設計了洗選廠設備運行監(jiān)測平臺，具備完善的實時數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、發(fā)送、故障報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等功能，監(jiān)測總站是以生產(chǎn)者/消費者的模式進行設計，其結構圖如圖4所示[6]。

圖4 檢測軟件結構示意圖

3.1 生產(chǎn)者

監(jiān)測總站的生產(chǎn)者包括數(shù)據(jù)采集和OPC數(shù)據(jù)共享兩部分：

1)數(shù)據(jù)采集模塊作為生產(chǎn)者，包含溫度數(shù)據(jù)采集和振動數(shù)據(jù)采集，針對振動數(shù)據(jù)可按需求對采樣方式、采樣頻率、采樣數(shù)量等進行配置。

2)監(jiān)測總站通過使用OPC技術可以使洗選廠建立一個統(tǒng)一的設備監(jiān)測平臺，對主皮帶、破碎機等設備已有的獨立監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，將監(jiān)測信息更加全面有效地整合起來，方便對實時信息進行統(tǒng)一的管理、發(fā)布和利用。

3.2 消費者

監(jiān)測總站的消費者包括五大功能模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)顯示功能模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊、數(shù)據(jù)分析功能模塊和預知維護決策功能模塊。

1) 數(shù)據(jù)傳輸模塊分為發(fā)送端和接收端兩個部分，監(jiān)測分站發(fā)送端程序采用FTP方式通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)向監(jiān)測總站發(fā)送數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)流程圖

2)數(shù)據(jù)顯示功能模塊將生產(chǎn)隊列傳送過來的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理，實時顯示在監(jiān)測總站的平臺界面中，并設定參數(shù)極限值實現(xiàn)聲光報警。

3)數(shù)據(jù)存儲功能模塊是利用TDMS數(shù)據(jù)庫，將生產(chǎn)者采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到本地計算機文件中。

4)數(shù)據(jù)分析功能模塊主要是對傳輸過來的振動加速度信號進行時域和頻域分析并計算出絕對均值、峰值、有效值、偏態(tài)指標等24個特征指標。

5)預知維護決策功能模塊主要是在計算得到的24個特征指標值的基礎上，利用二維投影早期故障診斷算法對設備運行健康狀態(tài)進行評估，主要的評估過程如圖6所示。

圖6 設備運行健康狀況評估過程

首先對正常狀態(tài)下和待評估狀態(tài)的振動信號分別進行預處理并各計算得出24個特征指標，借助投影尋蹤方法對正常狀態(tài)下的特征指標進行投影，由于特征指標的投射值分布對于某一固定設備在正常運轉狀態(tài)下是固定不變的，以此建立投影值分布標準，待評估狀態(tài)的24個特征指標在同樣的投影方向下進行投影，如果投影值和正常狀態(tài)下重疊則說明設備運行狀態(tài)正常，否則說明設備出現(xiàn)異常需及時排查，從而實現(xiàn)早期故障預警和預知維護的功能[7]?；贚abVIEW軟件開發(fā)的預知維護決策軟件界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)測總站預知維護功能界面

從右側投影值分布特點可以看出，兩個待評估時刻的24個特征指標的投影值分布均與正常狀態(tài)下投影值分布重疊，說明設備運行狀態(tài)正常。該方法對洗選廠的所有設備都具有普遍適用性，均能通過此方法及時跟蹤捕捉設備偏離正常狀態(tài)的信息。

4 結 語

根據(jù)洗選廠主洗車間特點，設計并搭建了洗選廠設備在線監(jiān)測系統(tǒng)，并于2017年6月在成莊礦洗選廠投入使用，實現(xiàn)了廠內(nèi)包括振動篩、泵、帶式輸送機、減速器在內(nèi)的所有設備的實時監(jiān)測，提高了洗選車間的綜合信息化管理和自動化水平，夠為洗選廠的設備管理提供全面的數(shù)據(jù)信息；系統(tǒng)自投入使用以來，實現(xiàn)對選煤設備運行狀態(tài)的及時跟蹤評估，指導日常維護工作，設備的故障率明顯降低，避免了因設備故障造成的經(jīng)濟損失和可能的安全隱患，洗選廠的安全生產(chǎn)得到了充分的保障。