风机在线监测系统

风机在线监测系统 设 计 方 案 XXXXXXX 有限公司 一、 系统设计参照标准 本系统设计依据煤矿风井主扇风机现场实际情况制定； 振动状态监测部分参照 GB/T 19873.1-2005/ISO 13373-1:2002机器状态监测与诊断 振动状态监测； 有关电气装置的实施参照 GB50255-96电气装置安装工程施工及验收规范； 有关自动化仪表实施参照 GB50093-2002自动化仪表工程施工及验收规范及 DLJ 279-90电力建设施工及验收技术规范（热工仪表及控制装置篇 ）； 风机性能测试满足 GB/T1236-2000工业通风机用标准化风道进行性能试验和 MT421(煤炭行业标准 )“煤矿用主通风机现场性能参数测定方法 “。 二、系统设计的主要内容 2 1 系统概况 根据煤矿企业的生产特点，风井两台主扇风机是全矿生产中的特大型重要负荷关键设备。它的正常运行是矿井得以连续安全生产的最根本保证。主通风机经常由于超负荷运转、设备累计运行时间过长和安装质量等问题而发生很多故障，风机系统在运行中存在着多种故障 ,它们是隐性的 ,不可预测的，对生产存在严重的威胁。这些存在的故障隐患 ,严重影响到 全矿运行的经济性和安全性。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的 风机在线故障监控系统 充分利用传感器检测 ,信号处理 ,计算机技术 ,数据通讯技术和风机的有关技术 , 全面地对矿井总回风中的风压（负压、静压、动压、全压及其效率）、风速、风量、瓦斯浓度、出口气体温度、主通风机前后轴承温度、运行状态、正反转状态、电机定子温度和轴承温度等通 风机性能参数 ，主通风机设备振动位移、速度、加速度、振动主频、频率分量及其烈度等 振动参数 ，电机三相电压、电流、有功无功电度、有功无功功率、总有功功率、总无功功率视在功率、功率因数 、频率等 电量参数 进行实时在线监测，在机组的运行过程中 ,判别机组性能劣化趋势 ,使运行 ,维护 ,管理人员心中有数。系统具有数据窗口显示和存储报表打印、趋势曲线显示、越限声光报警和历史报警摘要显示查询、工况点合理范围分析、风产分析、设备故障诊断和手自动控制、报警阀值设定、用户及权限管理、操作记录、日志查询、在线联机帮助、风机房视频监控和数据远距离传输等丰富功能。通过本系统的实施 ,使煤矿风井主扇风机的状态监测诊断的水平达到国内领先水平 。 实施本项目的意义在于 :1）避免风机机组在运行过程中发生重大事故而造成的重大 生产安全事故 ,并避免以此而产生的巨大经济损失 ,保证设备在规定的时间内无故障安全可靠的运行。 2）向运行人员提供及时的信息 ,有效地支援运行 ,提高设备使用的合理性 ,运行的安全性和经济性 ,充分挖掘设备的潜力 ,延长设备的使用寿命 3）通过本项目的实施达到设备的有效维修 ,降低设备的维修成本 ,提高设备的使用效率 ,改善产品的质量 ,增加产量 ,减少同类事故的发生 . 2 2 系统测点统计 根据煤矿企业现场的实际情况以及风机在线监测系统所必需测量物理量的要求，必须监测以下各量（两台风机）： 序号 测点名称 测点数量 备注 1 负压 2 2 静压 2 3 动压 2 4 风速 2 5 全压 2 全压 =静压 +动压 6 风量 2 通过风压和风速换算 7 瓦斯浓度 2 8 有功功率 2 功率因数根据有功功率和总功率计算 9 电机轴承温度 8 10 定子绕组温度 8 11 风机振幅 4 通过振动专用数据采集器采集 12 I、 II 段母线电压 2 13 I、 II 回路电流 2 14 风机 1、 2 级电机电流、反转电流 6 15 正反转、停止信号 6 开关量 16 电机转速 4 17 电机功率、风机耗电量 8 通过电压、电流、运行时间换算 表 1 测点统计表 2 3 振动监测和风机在线监测融合为一体的新型风机在线监测系统 从煤矿风机监测的实际情况来看，除了需要监测风机的工艺参量如风量、风压、电机电流等外，还需要监测风机的振动情况。也就是说要从风机的振动和工艺参量的复合角度来判断风机的运行性能好坏。 振动参量的采集一般要求同步整周期采集和自动跟踪滤波。所谓同步整周期采集是指以键相位信号为基准实现多通道的同步采样，采样速率受控于机组转速，每周期（转）采集的数据样本长度相同，每次采集的周期数相同，瞬态与非稳态数据 自动采集。自动跟踪滤波包括跟踪抗混滤波和跟踪数字矢量滤波，前者采用特殊设计的八阶椭圆低通滤波器，后者以数字处理技术为核心，实现以机组转速为中心频率的带通滤波功能。 另外，振动参量包括三个要素：振幅、频率和相位，三者缺一不可。综合上述振动参量的特点，一般不用 PLC 直接采集振动快变量，而是采用专业的振动数据高速采集器采集。由专业的振动采集器（如 MF100）采集到的数据不仅有当前的振动 p-p 值而且有相应时刻的波形数据和频率特征，而这正是煤矿风机在线监测所必需的数据。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的新型煤 矿风机在线监测系统从风机振动的专业角度结合 PLC 采集到的工艺参量来组合分析风机的工作状况，从而使得我们对于风机工作状况的把握更加准确和可靠。 振动数据采集器采集到的数据和西门子 s7-300PLC 采集到的数据采用ODBC(Open Database Connectivity，开放数据库互连 )方式相互共享。通过 ODBC，在线监测系统的数据服务器与上位机可以互换数据，并由上位机实时动态写入PLC 中。 下面是风机在线监测系统的拓补图。 图 1 风机在线监测系 统拓补图 2 4 煤矿风机在线监测系统硬件配置 根据以上测点分析和系统拓补图情况，给出以下的系统硬件配置清单。下面的配置清单没有列出系统施工所用的屏蔽电缆线、配柜所用的铜塑线以及操作座椅等内容。 序号 名称 型号 数量 厂家 备注 1 机柜 1 2 工控机 研祥 1 研祥 3 CPU 模块 CPU224 1 西门子 4 数字量输入模块 EM221 1 西门子 5 数字量输出模块 EM222 1 西门子 6 模拟量输入 /出模块 EM235 1 西门子 7 MMC 存储卡 64K 1 西门子 8 电量采集装置 9033E 4 力创 9 温度采集模块 9017T-D 5 力创 10 压力变送器 JYB-KO 4 昆仑 11 振动变送器 YB40 4 中泰 12 瓦斯浓度传感器 GJ4/40 1 安瑞特 上位机 1 1#风机 振动数据采集器 Bently3500 2#风机 S7-300 双 PLC 交换机 服务器 上位机 2 各种工艺信号 振动信号 13 CO 浓度传感 GTH500 1 安瑞特 14 风门开闭传感器 GTK 1 安瑞特 15 电机开停传感器 GKTS 1 安瑞特 16 安装导轨 1 西门子 17 20 针前连接器 2 西门子 18 40 针前连接器 5 西门子 19 BM2*4 模块 4 西门子 20 总线连接器 4 西门子 21 触摸屏 11.4 1 威纶 22 通讯电缆 1 西门子 23 PLC 配置附件 1 西门子 24 断路器 C65N/2P C10 3 施耐德 25 断路器 C65N/3P C6 3 施耐德 26 断路器 C65N/1P C3 2 施耐德 27 开关电源 DRP-120-24 2 28 开关电源 DRP-75-24 1 29 隔离模块 HGC- 20 30 中间继 电器 MY4NJ 16 表 2 系统硬件配置清单 三系统基本功能 由于本系统集合了 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的振动在线监测和风机工艺参数在线监测的双重优点，因此在系统特点上也融合了二者的特长，具有全新的监测画面和特点。 3.1 监测预报 风机在线监测系统中的振动监测系统以获得国家科技进步奖的矢谱技术为核心组成分析系统，功能配置突出实用、有效、强大，系统组合分析方法近 30种，除具备完善的稳态分析、瞬态分析外，还增加了非稳态过程分析和振动与工艺参数相关分析， 以可视化主动数据驱动技术进行数据快 速查询，对所有被监测机组在不同时刻、不同状态下的动态信号快速、准确地进行各种信号分析和数据处理，以简洁、直观、信息量丰富非图谱表达出来，并将其数据值信号特征传递至故障诊断专家系统。 新的风机在线监测系统除提供常规的信号分析功能外，还将目前独有的双通道数据融合技术应用到工程实际中，其中包括矢量谱分析、进动谱分析、二维矢功率谱分析等，另外，还提供短时 Fourier 分析、小波分析、 Wigner 分布等时频分析方法。 振动模块主要分析方法 常规分析方法类 时间波形、轴心轨迹、提纯轴心轨迹、频谱图、振动矢量区域分析、统 计特性分析、倒频谱分析、细化谱分析、相位谱分析、特征谱分析、自相关、互相关分析、相干分析等 数据融合分析 矢谱分析、矢功率谱分析、进动谱分析、全信息分析、轴心位置（稳态） 瞬态过程分析 波德图、极坐标图、三维频谱图、轴心位置（瞬态）、坎贝尔图 通过对新风井主扇风机振动信号和工艺信号的在线监测，使您的设备历史运行状态全掌握；丰富的波形和频谱棒图等显示方式，使您能够清晰地判断设备的运行状态。不但可以在设备失效前及时检测捕捉到故障信息对设备进行保护而且对设备运行趋势进行管理，为设备的维修提供依据。最大限度地保证风 机的安全有效经济运行从而保证各种工艺目的参数达到安全要求。 3.2 调度室监测显示 1) 主界面 图 2 调度室主控界面 本界面中按照现场分布实际情况设置，上部为 2#风机，下部为 1#风机。正在运行的风机显示为绿色，停止的风机显示灰色，显示切换不需要人为干预。但在风机切换过程中，可能存在切换状态，切换完成后，显示即刻正常。系统在主界面中显示各个测点的实时参数，包括 1电机的温度、 1#电机的连轴温度、 1电机的压力、 1电机的风量、 1#电机的振动值等； 2电机的温度、 2#电机的连轴温度、 2电机的压力、 2电机的风量、 2#电机的振动值等；如有温度超出安全值或压力低于安全值，都会有报警信息在监控界面出现，并且界面中有闪烁红灯出现。故障消除后，报警信息消失。当点击 按钮时弹出振动监测分析的界面，如下所示： 图 3 振动监测界面 2）趋势分析 系统能按年、月、日、小时等方式显示一个或多个测点的历史数据趋势曲线，根据标准值的限定范围实现趋势分析，并结合标准信息提供设备检修指导。 在图 4 中可以看到变量参数的曲线走向，每分钟记录归档一次，并且可 以自由选择日期时间查看归档信息，根据需要打印报表。在工具栏中有下列功能菜单：振动监测 第一条数据记录，前一条数据记录，后一条数据记录，最后一条数据记录，启动停止，标尺，缩放，趋势开关，时间范围选择等。 图 4 参数变化趋势图 1 按下 曲线开关按钮，显示如下图 5，可以自由选择不同的变量，并选择某个变量的曲线是可见还是不可见的。按下 标尺按钮，在曲线图下面会出现一个表格，表格里面是变量和日期等。 图 5 参数变化趋势图 2 按下 时间范围选择按钮，显示如下图 6，可以对不同的变量选择不同的时间，就会出现它对应的 历史曲线。 图 6 参数变化趋势图 3 1#温度历史曲线， 1压力历史曲线， 2#温度历史曲线， 2压力历史曲线，这 4 个界面操作是类似的，仅数据内容不同。 3）数据储存和管理 风压、风量、风速、电量、风机及电机的各种温度、风机的振动等各种监测参数实现定时存储，数据能保存 一至两年甚至更长时间。风机性能参数每小时记录一次；故障参数每分钟记录一次，可以很方便地进行查询。同时，也便于管理部门（如通风科、调度室等）分析有关数据，强化通风机的管理。实时趋势显示：系统能按年、月、日、时、分、秒等时间格式实时显示本系统中温度、瓦斯浓度、压力、风速、风量、振动位移等参数的趋势曲线，并可以无级放大缩小显示，自定义参数范围、打印曲线等；历史趋势显示：系统能按年、月、日、时、分、秒等时间格式显示本系统中温度、瓦斯浓度、压力、风速、风量、振动位移等参数的历史存档数据并绘制趋势曲线，同时可以无级放大 缩小显示，自定义参数范围、打印曲线等。 在温度变量记录界面下显示电机的温度参数，如图 7。每分钟记录归档一次，并且可以自由选择日期时间查看归档信息，根据需要打印不同格式的报表。工具栏中的功能如下（从左至右）， First Data Record(第一条数据记录 )， Previous data record(前一条数据记录 )， Next data record(下一条记录 )， Last data record（最后一条数据记录）， Start/Stop(开始 /停止更新 )。选择列，选择时间范围等。 图 7 温度记 用鼠标的左键单击时钟的图标 ，将会出现如下的界面图 8，对变量归档进行时间范围的选择。 图 8 时间选择界面 温度变量记录的界面和压力变量记录的界面是一样的，只是显示的数据内容不同而已。 4）报警记录和用户管理 报警记录界面中显示报警的信息，有长期报警，短期报警，打印，排序，激活等。报警列表中包含有日期 、时间、编号、持续时间和报警消息等。报警消息进入为红色，离开为绿色，确认为蓝色，如图 9。 对系统中重要过程参数如风速、风量、温度、瓦斯浓度、振动位移等实现在线设定其报警阀值（高高限、高限、低限、低低限），并立即生效。 对于使用本系统的用户进行分级管理，按照权限由小到大依次分为监视员、操作员和系统工程师三种级别。每种级别的用户分别赋予不同的权限，具有最高权限的工程师级别的用户还可以添加、删除和修改系统中的用户。 操作日志及查询 :对于用户在使用本系统中的一些重要操作如修改报警现值、添加和修改用户、报警确 认和关闭系统等，都生成操作记录并保存，用户可以随时查阅操作记录并打印。 图 9 报警记录界面 四、系统特点 4.1 高可靠性 设计上充分考虑系统的电磁抗干扰能力，既要保证系统本身不受现有系统和电源的干扰，也要保证本项目不会干扰已有系统的运行，系统外的信号接入系统时，都采用信号隔离模块进行隔离。 采用低功耗、散热好的硬件设备，散热系统设计合理。 严格的器件选型：系统的所有硬件器件都选用国内外知名品牌。 严格的系统测试，数据采集站要经过高低温试验、湿度试验、电磁兼容性试验；系统软件要经过功能测试、 容量测试、异常测试等。 4.2 实用、易操作性 功能设计全面实用，界面设计专业、友好，让用户全面了解各种监测信息。 以专业设计的简捷流程实现复杂的功能，最大限度地减少用户学习操作的时间。 4.3 监测信息全面 监测指标包括：各类开关量，振动量，性能参数，如电量、负压、风量、瓦斯浓度、温度量、风机效率等。 可根据用户需求