煤矿机械设备动态监测关键技术研究与应用

朱慧慧,魏亚东,孔国锋

（山东省兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿，山东济宁，273513）

煤矿大型机械装备日益向着大型化、复杂化、高速化、高效化和自动化的方向发展，机械装备状态物理量的变化呈现出随机性、多维性、时变性、耦合性和非线性等特点。煤矿机械设备动态监测资料对认识煤矿的地质特征，掌握煤矿井的性质，煤矿的压力、温度、注入产出特征及煤矿井连通情况起着重要作用。通过对动态监测资料的分析，对煤矿开发状况及开发形势进行评价，在搞清煤矿状况及剩余煤矿分布规律的基础上明确了煤矿开发调整的对象，为分层调整挖潜提供了依据。本文主要研究光纤传感技术在煤矿机械设备动态监测领域的使用。

1 光纤传感在煤矿机械设备动态监测应用

针对监测系统的检测频率,构建监测系统的形式一般可以分为离线式监测系统和实时在线式监测系统两种，本文介绍的是实时在线式监测系统。

在线监测模式是在设备运行中实时的对设备进行监测。在机械设备中,如压缩机、机录群的工作状态中,在线监测系统可通过安装在机组上的光纤光栅传感器实时的获取机组的状态参数,并对机组的运行情况进行评估,判断机组是否在正常的状态下运行,并对机组健康状态进行长期实时监测监测,确保机组生产的正常运行。实时在线监测系统适用于对生产影响极大,故障率较高的重要设备,依靠监测设备实时或动地巡检设俗状态。可由单机或多机组成系统,其安全可靠性能高。

虚线中所包括的硬件为工业生产现场中的机械设备和安装在设备上的N个光纤光栅传感器。设备的状态参数,通过光纤传感技术转变为光波长信号。传感网络前端即生产现场中所采集到的光信号通过光缆,直接把信号送到上位机。由于光信号便于长距离传输,所以上位机和下位机一般都位于控制室内。这样确保了生产现场的无电传感,对于煤矿机械设备的监测而言,无疑增加了系统的安全性能。光信号通过光纤信号解调仪,把光信号解调为电信号。然后通过采集程序和通信模块,把釆集到数据源源不断的发送给上位机。现场所釆集到的数据到达上位机后,一方面通过分析处理,判断系统的运行状态是否正常,起到预警的作用;另一方面选择性的保存于机组数据库中,建立机组状态数据库,方便用于后期查询,也可起到长期监测以及趋势预测的作用。

2 在线监测系统设计

2.1 系统的总体组成

用于机械装备状态监测的系统在总体构成方而与其他监测系统布箱众多的相似之处,但也存在请多要点的不同,有着属于自己的特点。从大的方面一般需要具有检测模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、实时M示和报警模块以及状态评估模块等儿大部分。在对基于光纤传感技术的机械装备实时在线检测特点了解的基础上,根掘其特质构建了如图1所示检测系统。

2.2 监测系统硬件构成

监测系统由硬件部分和软件部分构成,其硬件部分由各种传感器、光纤光栅振动解调仪、网络通信设备和计算机等构成;软件部分由各种硬件设备驱动、控制、通信软件以及机械设备状态监测专家评估软件,同时还包念对所测量的数据进行处理的数据库管理软件等组成。由软件和硬件系统密切配合实现长期健康监测及状况评估功能。

2.3 系统软件构架与实现

根据机械装备动态在线检测特点以及光纤传感技术的独有特性,在研究了振动信号的数据处理方法、数据库设置和基于此的典型部件故障诊断方法的基础和前提下,通过软件编程将光纤光栅机械装备监测系统予以实现是非常可行也是十分必要的。机械设备状态监测系统软件主要包括:数据解调、信号滤波、振动有效值计算、结果的输出和保存等部分。软件部分主要是通过时域及频域分析,得到振动烈度、历史趋势图、3D谱线图,为机械设备状态监测和故障分析提供有用数据。

图1 检测系统框图

在光纤光缆机械设备动态监测系统的主界面可以观察到被检测的所有的机械装备的运行状态，而且可以在将温度报警和振动报警分开提示，这样有助于工作人员对设备的故障进行初步判断，避免造成不必要的慌乱。另外，工作人员也可以用过双击主界面中的设备来查看其对应的运行状态和记住编号。进入具体机组状态监测界面后,可以分别看到该机组所有监测点的实时状态以及所有被监测点的振动总值和温度的实时数据,并以棒图的形式直观显示出来。这种多样选择的方式有助于提高工作效率，是其更加人性化。

3 状态评价及报警设置

由于检查设备和检查对象不同，从而采取的检查手段也不尽相同，所以对设备状态的评估方法和报警设置也存在着不同的要求。

3.1 评估方法

1）类比判断标准。当监测系统或对象中出现两台或多台相同型号的监测对象时，要使用类比判断标准，通过对比同型号不同设备的状态参数来判断设备的安全状态，特别适用于不易或无法获得设备的健康状态参数的情况下。

2）相对判断标准。此判断标准就是将设备的历史监测数据作为该设备的健康档案，从历史数据中来直观的展现设备的里历史趋势，通过数据的对比判断设备偏离健康状态的参数程度。

3）绝对判断标准。绝对判断标准是最常见的监测方法，即以标准中的参数作为绝对标准，将所测的参数与标准参数进行对比。通常把标准中的参数设置为绝对报警值。

3.2 报警设置

1）相位报警。一般相位报警多个传感器联立来完成，如当两个传感器所测得的数据频率之间的理论相位或既定相位差为α，当相位小于或大于时系统就发出报警声提示。

2）振动总值报警。振动总值报警就是当设备参数值达到了振动总值是报警的方法，也是最常用的方法。振动总值表达式一般是以振动烈度作为标准，及即是振动速度在测量频带内的均方根值表示振动的大小。根据检测量的不同,振动烈度的公式可表达为

3）频段报警。在振动总值报警的基础上，将振动频率细化，对各个谐波频率分别监测的方法就是频段报警。因为在机械设备故障中存在振动总值不变,但各个频率振幅此消彼长，不同的故障对应着不同的频率的现象,因此对设备设置频段报警具有着重要的意义。首先依据设备的特征来确定测点的频率量程，然后根据各个频率的起始值和高频值的截止频率以及各个频段预警值与报警值的大小来制定设备各频段的报警方案。

4 总结

煤矿机械设备对人类生产、生活至关重要，其安全受到极大关注。煤矿机械设备动态在线监测是判断此类结构和装备是否安全的重要手段，是进行结构损伤识别和故障诊断的重要方法。然而受到当前动态在线监测技术发展水平限制，目前的振动测试系统只能实现定期或短期检测，难以实现远程、长期、实时在线的振动监测，这对实时掌握它们的工作状态、评估其安全性、制定养护和维修决策是远远不够的。光纤传感技术的出现，并与动态检测技术的有机结合为解决上述问题提供了较好手段。传感器[J].中国激光，2011.

[1]汪弋平、王鸣、黄晓琴.基于光纤光栅偏振特性的横向压力

[2]沈力，基于无线通信的矿井监控系统的优化设计研究[D].重庆大学，2012.