基于物联网技术自动监测矿井主排水设备故障研究

马丽强

（山西阳城阳泰集团竹林山煤业有限公司，山西 阳城 048105）

矿井主排水设备的好坏直接关系到矿井排水效果，也是煤矿安全生产的重要保障。排水设备井下工作环境恶劣，排送流体成分复杂多样，含有腐蚀性化学成分因子，造成矿井主排水设备出现故障，影响矿井正常排水。利用物联网技术手段，对矿井主排水泵机械设备进行实时监测，机械设备有潜在的故障，会发出预警，为矿井主排水设备故障诊断、维修提供技术支撑。基于物联网技术自动诊断矿井主排水设备，利于维护，减小成本。

1 矿井主排水系统

离心泵、电机、相应水管和阀门等构件组成了矿井主排水系统。虽然各大矿井涌水量不同，但是矿井主排水系统大体相同。

竹林山煤业中央泵房水仓总容量为1600m3，由主副两个水仓组成，主副水仓容水量分别为1000m3、600m3，平均涌水量为80m3/h，最大涌水量为130m3/h。选用的离心泵、防爆电机和高压电机详细参数见表1和表2。

表1 水泵型号及参数

表2 电机型号及参数

整个主排水系统由3台机组构成，这3台机组的反冲洗和抽真空管路不仅可以独立工作，还可以相互导通，在使用和备用工作上可以相互转换，整个主排水系统管路布局和阀门情况见图1所示。

图1 系统管路布置

2 主排水设备常见故障及特征

2.1 常见故障

（1）轴承故障。轴承一直处于动静结合工作状态，在工作中容易出现磨损、疲劳和裂纹等故障。轴承磨损主要分为三种：内圈磨损、外圈磨损和滚子磨损。若出现磨损但不加以维护，随着工作的进行，不仅裂纹扩大，还有振动和噪声产生，会波及到水泵运行[1]。轴承不同部位的故障，会有不同的特征频率[2]。

外圈故障频率：

式中：

f0-外圈故障频率，Hz；

Z-滚珠数量，个；

d0-滚珠直径，mm；

a-摩擦力作用在滚珠和轴承外圈的夹角，°；

D0-轴承直径，mm；

fr-旋转频率，Hz。

内圈故障频率：

式中：

fi-内圈故障频率，Hz。

滚珠故障频率：

式中：

fb-滚珠故障频率，Hz。

在诊断轴承故障时，可以根据上述特征频率确定轴承故障，进而维修或维护轴承。

（2）转子不平衡。转子不平衡故障主要是转子偏心和转子磨损。转子不平衡特征[3]：其振动信号函数为三角函数；共振临界转速是转子不平衡重要特征。

（3）转子不对中。若主轴轴承有故障，转动频率有增大现象，甚至会有多倍边频存在[4]。

（4）基础松动。泵底座螺丝松动、地基钢筋松动这些都属于基础松动。基础松动故障主要是转动频率、振动幅值不同。

（5）配合不当。轴承与叶轮主轴出现过盈配合，就会发生工作力不足、脱落或者主轴叶轮打滑。相对旋转频率出现异常，根据频谱特性确定故障程度。

（6）水泵气蚀。水泵气蚀瞬间周围液体会冲蚀叶轮，造成叶轮磨损。有故障时叶片振动会明显加剧。

（7）管道漏水。因工作环境恶劣或操作不正确，排水管道会出现漏水。产生排水管道漏水原因主要有：年限过长，管体老化、锈蚀、破裂；操作不正确产生水锤，管道发生破裂。

2.2 故障特征

根据前文所知，矿井主排水设备发生故障，故障就会表现一些特殊的特征信号、频率、相位、振动、振幅等[5]。常见矿井主排水设备故障及相应特征信号、相位、频率、压力等参数详见表3所示。

表3 常见故障及特征

3 基于物联网自动监测系统设计

3.1 物联网监测系统功能

物联网自动监测系统主要是全面感知主排水设备运行情况，根据实时采集到的工况数据进行健康评估，物联网系统监测功能主要有：

（1）全面感知

感知层就是在网络监测基础上，实时采集设备运行状态、历史工况和目前工况。结合规程、设备使用原则、技术标准，根据记录、所采集全面信息，进行定性和定量分析设备运行特征，综合、全面掌握“物”的特征情况，就称为“物联网”。

（2）可靠网络架构

根据不同信号特征，设计相应技术传感器采集信息。当无法使用传感器采集特征量，就需要硬件收集，相应构建采集、传输与处理一体化可靠的硬件网络架构。

（3）寿命管理

为减少水害，需要对主排水设备的寿命开发系统管理。采用时间序列管理方法，处理和挖掘采集到的大量数据，分析、综合比较收集到的数据，通过算法预测设备运行状态趋势和走向，在物联网网构下的应用层作用，确定设备的寿命、故障。

（4）管理软件

寿命管理系统采用LabVIEW软件平台，选用具有存储数据的SQL Server操作管理，通过MATLAB软件做相应数据处理、分析。

（5）数据库接口

物联网寿命管理系统内的每个下位机相互联系，在外部成为整个煤矿的监测子系统，必须拥有开放的数据接口，实时与其他数字化平台进行数字信号交换。

3.2 自动监测总体结构设计

物联网架构镶嵌于自动监测系统，对矿井主排水设备运行状态进行监测。整个物联网监测系统根据物联网性质分为感知层、网络层和应用层三层系统，基于物联网技术下自动监测总体结构系统如图2所示。

4 物联网自动监测三层系统研究

4.1 感知层研究

在整个物联网系统最为基础的层系统当属感知层。PLC控制基础上增加采集高频信号，以太网与上位机相互联系，形成数据采集功能物联网系统感知层，其作用就是根据采集到的主排水设备运行数据，分析矿井主排水泵是否出现故障。感知层功能的实现必须有各种传感器的辅助，感知层各种传感器及相应信号特征见表4。

4.2 网络层研究

将感知层采集到的信号传输便是物联网系统的网络层。以太环网为基础，增加共享数据，通过OPC运作，各个传感器、子系统采集到的特征信号汇聚于物联网网络层，网络层将数据汇总到应用层。异构网络能够融合信息，确保数据可靠传输，防止数据丢失。

图2 基于物联网技术下自动监测总体结构系统图

表4 各种传感器信号特征

4.3 应用层研究

应用层能够将采集到的信号进行大数据分析，类似于人的大脑。为自动监测矿井主排水设备工作状况，开发、编写了矿井主排水设备健康管理系统。该系统能够实时显示水泵电流、振动信号、压力、流量、液位、温度等。在物联网技术下上位机可以测算出矿井主排水泵特性曲线。

5 结 论

以矿井中央水泵房为研究对象，简单介绍了矿井主排水系统。根据矿井主排水设备常见故障特征，设计了基于物联网技术的监测系统，物联网监测系统主要有两大特点：

（1）全面性、系统性、自动性。物联网监测系统不仅能够根据主排水设备故障特征全面采集信号，还能实现系统内的数据转换，通过软件自动预测分析主排水设备故障。

（2）物联网自动监测分工明确。物联网自动监测系统共由三层系统组成，感知层负责采集主排水设备故障信号，网络层将数据传输到应用层，而具有分析功能的应用层进行处理和反馈信息。

基于物联网技术开发的自动监测系统监测矿井主排水设备运行状态，不仅节省了时间，降低了成本，还能为设备的维修提供精准信号，有利于实现自动化，这对矿井安全生产具有重大的意义。