矿用主扇风机远程健康诊断系统的监测子站研究＊

李 伟 程晓涵 徐国贤

（中国矿业大学 （北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083）

目前，煤矿大部分矿用主扇风机的在线监测系统所采用的振动传感器受到煤安标志认证的限制，只能安装于风机风道的外壳，所测得的振动信号不能准确地反映风机内部叶片及轴承等重要部件的真实状况，因此仅能够根据轴承温度过高、振动烈度过大和风压变化剧烈等明显异常的信号来判别风机是否存在严重故障。再加上煤矿现场人员难以具备人工分析监测数据的能力，使得长期以来矿用主扇风机的故障诱因及其发展趋势不可知，风机运行存在安全隐患和维护成本高等问题。

为此，提出了矿用主扇风机远程健康诊断系统，并在部分煤矿现场进行了初步应用。该系统采用可安装在风机内部的本安型振动传感器更准确地监测风机的工况信号，并由专业人员通过网络实现对风机状态的远程诊断，而位于该系统架构底层的风机房监测子站是系统实现的关键。

1 矿用主扇风机远程健康诊断系统简介

矿用主扇风机远程健康诊断系统的基本架构分为风机监测子站、矿区监测分站和远程预知维护中心3个部分，风机远程健康诊断系统基本架构如图1所示。

图1 风机远程健康诊断系统基本架构

由图1可见，风机监测子站实现对各个主扇风机运行工况的在线监测，将采集到的风机状态参数值通过无线网络或工业以太网传输至矿区分站，供上一级设备管理部门查看。而矿区监测分站通过互联网将各监测子站上传的数据打包传输至远程预知维护中心，由相应的专家和技术人员对数据进行分析处理，判断风机当前运行状态是否正常以及故障部位以及预计故障发展趋势，并据此向矿方提交分析报告和对应的维护建议，从而完成了主扇风机的远程体检。此外，各矿区所属集团相关领导也可以通过互联网访问远程中心，查看相应的分析报告。

2 主扇风机监测子站功能设计

风机监测子站要求监测信号全面和准确，同时还应具备远程数据传输和受控功能，其功能模块设计如图2所示。

图2 主扇风机房监测子站功能模块结构图

由图2可见，实时工况监测功能模块完成对包括风机负压参数、转速、风机轴承和稀油站温度、油压以及电机的电流和电压等变化较为缓慢的风机基本工况参数的采集，并在上位机实时显示；振动数据采集功能模块实现对风机轴承箱和电机轴承座的三向振动信号的采集；数据存储功能模块将风机实时工况数据存储于数据库中，便于对历史数据进行查询和展示，同时完成振动温度等数据文件的无损存放，并传输至矿区监测分站；远程受控功能模块接受由矿区分站转发的远程预知维护中心指令，执行历史数据的查询、调用和发送，并调整各模块的具体设置，以满足远程预知维护中心对主扇风机工况数据分析要求。

3 监测子站硬件选型

监测子站的硬件系统包括各个监测点传感器、信号变送器、信号调理装置、数据采集装置、工控机以及无线数据终端 （DTU）等。温度、压力和电参量等模拟信号经采集端1～4 采集后，通过485总线传输至工控机。信号调理箱和数据采集卡组成采集端5，通过PCI总线插槽与工控机相连，完成对高频振动信号的采集。无线数据终端采用485总线与工控机连接，实现与矿区监测分站的双向通讯。监测子站的硬件连接如图3所示。

图3 监测子站硬件连接示意图

监测子站主要硬件选型如下：KLM-413B 型铂电阻模块用于对各部件温度的测量，JYB-DW型微压差变送器测量风机的管道静压，JYB-KW型压力变送器测量稀油站的油压及液位，KSP3系列的电力表测量驱动电机的电流和电压。需要强调的是，在振动监测方面选用了已获得煤安标志认证GBC1000型矿用本安型振动传感器，可以直接安装在风机内部的轴承座，所测得的振动信号因此更能准确地反应风机旋转部件的实际状况。振动信号的数据采集卡选用16 通道的同步数据采集卡NI6143。

4 监测子站软件开发

根据监测子站的功能要求，采用LabVIEW 进行软件开发。LabVIEW 中集成了RS-232／485 协议及数据采集卡通讯功能，可满足对现场485通讯以及振动信号的采集要求，同时利用LAB＿SQL工具包以及内置TCP／IP 和ActiveX 等标准库函数，实现ACESS数据库的操作和远程通信。

4.1 软件整体流程设计

监测子站系统采用如图4所示的多线程程序设计结构，以保证在程序运行过程中不同的程序优先级和程序整体的稳定性。

图4 监测系统程序多线程架构图

通过上述多线程的程序设计，可以实现窗口触发事件模块的及时响应，运行时间计算精确。振动信号的采集处理存储独立线程能够保证对数据采集卡和数据的稳定操作；监测报警存储模块独立线程能够保证监测报警存贮反应及时。

4.2 远程数据通讯

远程信号传输是基于多个监测子站对一个矿区监测分站服务器的点对点网络通信模式。利用LabVIEW 的数据通信TCP／IP 函数工具包，编写远程数据传输子程序，并通过无线数据终端（DTU）接入互联网，实现远程数据双向传输。远程数据传输程序流程具体步骤如下：

（1）远程服务器接入互联网，获取固定IP 地址，并打开TCP／IP链接；

（2）服务器设定并开放监测子站通信的端口；

（3）监测子站创建TCP／IP链接，并获取服务器IP地址及其开放端口；

（4）监测子站连接成功后向远程服务器发送数据；

（5）服务器接受数据并进行显示及存储。

5 现场应用

目前，矿用主扇风机远程健康诊断系统已经在同煤集团四台矿、晋煤集团寺河矿和赵庄矿等现场推广应用。风机监测子站已取代原有的在线监测系统，全面监测上述矿区的主扇风机运行状态，并经过矿区分站将监测数据传输至位于北京的远程预知维护中心。远程预知维护中心由专业技术人员对监测数据进行分析，并定期向矿方发布分析报告。到目前为止，所监测数据分析结果吻合风机实际运行状况，为矿方风机运行管理提供了可靠的指导。

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