馮建棟

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

選煤廠的主要任務(wù)是將入場原煤進(jìn)行篩分、破碎和撿矸等，主要作業(yè)包括篩分、破碎和脫水作業(yè)，需要的主要設(shè)備有破碎機(jī)、離心機(jī)、旋流器等，目前對(duì)于這些設(shè)備的故障診斷基本上都是由現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)行觀察和診斷，完全依靠人工的巡檢以及設(shè)備維護(hù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的數(shù)據(jù)和高效的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此設(shè)計(jì)一套選煤廠關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)選煤廠的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過分析處理，及時(shí)和準(zhǔn)確判斷出設(shè)備的故障，對(duì)于提高設(shè)備管理水平，提高生產(chǎn)效率都具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)對(duì)系統(tǒng)的需求，對(duì)選煤廠關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括四個(gè)部分，即網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（NetDAS），企業(yè)設(shè)備監(jiān)測中心（NetEMC），設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫（NetDB），設(shè)備管理信息中心（NetEIC）。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩部分，即利用高速嵌入式數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測站，以及利用有線或者無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用是將現(xiàn)場各種傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸?shù)狡髽I(yè)設(shè)備監(jiān)測中心。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框架圖

企業(yè)設(shè)備監(jiān)測中心是將采集傳輸過來的數(shù)據(jù)通過在線或者離線的方式進(jìn)行分析和診斷，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并且能夠給出設(shè)備的維修決策，因此該部分包含設(shè)計(jì)有狀態(tài)監(jiān)測、歷史監(jiān)測、故障報(bào)警、事故追憶、專家診斷等子系統(tǒng)。

設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫和振動(dòng)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，存儲(chǔ)需求量較大的振動(dòng)數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在振動(dòng)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫只存儲(chǔ)振動(dòng)數(shù)據(jù)的索引和記錄，降低了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的需求。

設(shè)備管理信息中心包含設(shè)備管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)和權(quán)限管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)既能對(duì)設(shè)備進(jìn)行工作狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行信息管理。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)需要完成的功能有數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和訪問，以及信號(hào)的調(diào)理等，再結(jié)合系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場監(jiān)測站和企業(yè)監(jiān)測中心兩部分。

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測站

現(xiàn)場監(jiān)測站的功能是完成數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的調(diào)理，系統(tǒng)的硬件主要包括各類傳感器、數(shù)據(jù)采集和調(diào)理模塊、機(jī)箱和PC機(jī)等。系統(tǒng)硬件在選用的時(shí)候需要主要考慮的因素包括系統(tǒng)的測試精度和成本。

2.1.1 傳感器選型

本監(jiān)測系統(tǒng)需要采集設(shè)備振動(dòng)的加速度和位移參數(shù)、關(guān)鍵部位的溫度參數(shù)，以及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)等，因此，傳感器選用的類型包括加速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器和光電傳感器等。而傳感器的型號(hào)選擇應(yīng)該綜合考慮傳感器的安裝環(huán)境、所需要的測量精度、被測對(duì)象的工況和信號(hào)處理等多方面的因素。

由于加速度傳感器安裝在振動(dòng)頻率和幅度都比較大的破碎機(jī)等設(shè)備上，工作環(huán)境惡劣，選擇的型號(hào)是美國PCB公司生產(chǎn)的608A11，靈敏度為100mv/g，分辨率為 350ug，可測頻率范圍為0.5Hz-10kHz，該型號(hào)傳感器具有精度高、抗沖擊性能好等特點(diǎn)，能夠永久安裝。

位移傳感器選用電渦流式，型號(hào)為JX70-04-C-M10 ×1-80-30K， 靈 敏 度 為4.000mA/mm，測量范圍 0.5～4.5mm，溫漂 0.08%/℃，該傳感器能夠測量探頭表面與被測金屬導(dǎo)體之間的距離，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下都能應(yīng)用，并且具有高分辨率和高線性度，特別適用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的故障診斷測量。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集和調(diào)理模塊選型

該模塊的作用是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及信號(hào)調(diào)理，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度、速度、穩(wěn)定性三個(gè)方面出發(fā)，選擇了NI公司的NI9234和NI9203兩種型號(hào)的數(shù)據(jù)采集和調(diào)理模塊。NI9234模塊為4通道，輸入信號(hào)范圍±5V，ADC分辨率24位，輸入耦合方式有AC/DC兩種可供選擇，每通道的最大采樣率為51.2KS/s，能夠?qū)珊头羌呻娐穳弘娛絺鞲衅鞯男盘?hào)進(jìn)行高精度測量。NI9203模塊為8通道，輸入信號(hào)范圍±20mA，ADC分辨率16位，每通道的最大采樣率為200KS/s，轉(zhuǎn)速精度和速度較高，對(duì)于量程范圍內(nèi)的模擬電流信號(hào)，能夠進(jìn)行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。

2.2 企業(yè)監(jiān)測中心

企業(yè)監(jiān)測中心主要包括三臺(tái)不同類型的服務(wù)器，一臺(tái)路由器和一臺(tái)機(jī)架式UPS。三臺(tái)服務(wù)器包括1臺(tái)LabVIEW數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、1臺(tái)Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和1臺(tái)Web信息服務(wù)器。其中LabVIEW數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的作用是數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，以及數(shù)據(jù)的分析和處理，還能完成故障診斷等工作；Oracle數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的作用是對(duì)信息的存儲(chǔ)，包括日常信息數(shù)據(jù)、振動(dòng)數(shù)據(jù)的特征參量等；而Web信息服務(wù)器的作用實(shí)現(xiàn)客戶對(duì)數(shù)據(jù)和信息的查詢和管理。

在外部網(wǎng)絡(luò)存在危險(xiǎn)和不安全因素的情況下，服務(wù)器易受到攻擊而導(dǎo)致故障。路由器的功能就是隔離服務(wù)器和外部的網(wǎng)絡(luò)連接，防止外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊和非法訪問，保證服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)安全。機(jī)架式UPS電源能給系統(tǒng)提供斷電保護(hù)，避免系統(tǒng)在讀寫硬盤時(shí)突然斷電導(dǎo)致故障的發(fā)生。

因此，在通過授權(quán)的情況下，也不需要安裝任何客戶端軟件，需求用戶以及相關(guān)人員可以利用瀏覽器在網(wǎng)絡(luò)的條件下，直接訪問和查看設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)選用的開發(fā)平臺(tái)為NI公司的LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括現(xiàn)場RFID采集單元和企業(yè)監(jiān)測中心系統(tǒng)。其中現(xiàn)場RFID采集單元包括固定和手持的RFID讀寫器、數(shù)據(jù)采集處理軟件，該單元的作用是機(jī)械設(shè)備以及備件的庫存和調(diào)配，以及全程跟蹤信息等；企業(yè)監(jiān)測中心系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，同樣包括LabVIEW數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)、Oracle數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)和Web信息系統(tǒng)三部分。

LabVIEW數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)是利用NI-DAQ的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用聲音和振動(dòng)工具包對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，提取出每一個(gè)故障的參數(shù)值，通過故障診斷，將診斷結(jié)果在LabVIEW平臺(tái)上發(fā)布，或者通過LabSQL的方式把診斷數(shù)據(jù)和結(jié)果寫入Oracle數(shù)據(jù)庫中。

Oracle數(shù)據(jù)庫信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器采集到的數(shù)據(jù)和處理分析后的故障診斷結(jié)果的存儲(chǔ)和查詢，還能對(duì)設(shè)備備件和人員的相關(guān)信息進(jìn)行管理。

Web信息系統(tǒng)的作用是對(duì)所有信息進(jìn)行查詢和發(fā)布，包括用戶管理、倉庫管理、在線監(jiān)測、離線分析、故障診斷等。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證與測試

該系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證和測試。首先給系統(tǒng)提供了仿真的波形信號(hào)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集，同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、自相關(guān)分析、頻譜分析、階次譜分析、倒譜分析等，分析結(jié)果與實(shí)際相吻合。此外給系統(tǒng)提供了振動(dòng)平臺(tái)的信號(hào)，系統(tǒng)分析的結(jié)果與設(shè)備實(shí)際的狀態(tài)同樣相吻合。通過不同信號(hào)源的測試和驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定可行，為該系統(tǒng)下一步在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用提供了保障。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集，并能通過數(shù)據(jù)分析與處理模塊對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，還能給出維修建議和決策，同時(shí)還能對(duì)選煤廠的設(shè)備以及備件進(jìn)行管理，目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)和初步的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該監(jiān)測系統(tǒng)在功能上是可行，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，下一步準(zhǔn)備進(jìn)行推廣使用。