（机械电子工程专业论文）矿山关键设备安全运行集成监控系统设计.pdf

湖南科技人学硕十学位论文 摘要 矿山设备是矿山企业生产的支柱，它的安全运行是矿山安全生产的 重要组成部分，矿山关键设各的安全、高效运行更是矿山企业安全生产 的重中之重。目前，矿山设备的监测领域已有了不少研究成果，但这些 监测诊断系统或装置要么只是针对某个矿山现场特定生产环境而设计； 要么只是针对某个特定的矿山机械设备而开发的独立的监测诊断分析 仪器，或者是基于生产现场已有的网络条件而开发的在线监测诊断系 统，普遍存在着智能诊断程度低、监控对象单一、技术含量不高、不便 于集成监控、通用性差等缺陷。由于受网络条件的限制，不能对整个矿 区内的各个关键设备进行集成监控。 论文针对上述矿山关键设备安全运行监测中存在的现实问题，设计 了一个基于通用平台的矿山关键设备安全运行集成监控系统，包括系统 整体方案设计、系统下位机数据采集分析部分设计、系统远程监控技术 设计以及系统上位机远程监控软件的设计与开发。系统整体方案设计工 作是提出系统整体设计思路，给出系统整体设计结构组成以及系统整体 设计框架图；系统下位机数据采集分析部分设计主要包括主控模块、信 号采集模块、通信模块以及数据采集分析软件四部分设计；系统监控技 术设计主要是介绍了基于p s t n 的远程数据传输技术的设计和丌发；系统 上位机监控软件设计主要介绍上位机远程监控端数据管理库软件的设计 和实现。 本系统通过设于各个矿井监控站的下位机数据采集分析部分可同时 对该监控站矿山井下的16 路矿井关键设备运行状态输入信号进行实时采 集分析，每个监控站的下位机又可通过c a n 和p s t n 相结合的远程数据传 输技术与中央控制室的上位机联网形成对整个矿区内矿井关键设备的安 全运行的集成监控。整个系统硬件结构紧凑、布局合理，具有信号采集 精度高、处理速度快、实时监控功能强等优点，软件设计具有数据库管 理功能强大、人机界面友好、容易实现等特点。 关键词：矿山关键设备c a n 与ps f n 信号采集信号分析集成监控 a b s t r a c t m i n i n ge q u i p m e n t s i st h eb a c k b o n eo fm i n ep r o d u c t i o n ，i t s s a t e r u n n i n gi si m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em i n ep r o d u c t i o n ，s a f e a n de f f i c i e n t r u n n i n go ft h ek e ym i n i n ge q u i p m e n t e s p e c i a l l y i s v e r y1 m p o r t a n t c o m p o n e n to ft h em i n es a f ep r o d u c t i o n p r e s e n t l y ，a l t h o u g hm u c h d e l i g h t f u l a c h i e v e m e n t sh a v eb e e na c q u i r e do nt h em o n i t o ro fm i n ee q u i p m e n t s ，t h e s e m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e m so rd e v i c e sa r ed e s i g n e d e i t h e rf o rs p e c l t l c p r o d u c t i o nc o n d i t i o no fa c e r t a i nm i n e ， o rf o rac e r t a i ns p e c l t l c m l n e e q u i p m e n t ，o rf o rl o c a ln e t w o r kc o n d i t i o n i nt h ep r o d u c t i o ns c e n e lh e h a r d w a r eo ft h e s es y s t e m so rd e v i c e sh a s t h ed i s a d v a n t a g e so fl o w - l e v e l i n t e l l i g e n td i a g n o s i s ，s i m p l i f i e d m o n i t o r - o b j e c t ，l o w l e v e l t e c hn l q u e ， i n c o n v e n i e n c ef o ri n t e g r a t i o n m o n i t o r a n df a i l u r ei nc o m m o n u s e - r e s t r i c t e db yn e t w o r kc o n d i t i o n s ，i tc a n n o tr e a l i z ei n t e g r a t i o nm o n l t o ra n d c o n t r o lf o ra l lk e ye q u i p m e n t si na ne n t i r em i n i n ga r e a a i m e da tt h ep r a c t i c a lp r o b l e m o ft h ek e ym m m ge q u i p m e n l s s a f e - m o n i t o r i n g ，t h i sp a p e rs u g g e s t s d e v e l o p i n g ar e m o t em o n l t o ra n d c o n t r 0 1s v s t e mb a s e do nc o m m o np l a t f o r mt oe n s u r ek e ym i n i n ge q u i p m e n t s r u n i n s e c u r i t y ， i n c l u d i n gs y s t e m o v e r a l lp r o g r a md e s i g n ， si a v e m i c r o c o m p u t e rd e s i g n e df o rs i g n a la c q u i s i t i o na n d d a t aa n a l y s i sd e s i g n ，t h e t e c h n i q u e d e s ig n e d f o r m o n i t o r i n g s o f t w a r ed e s g nf o r r e m o t e m o n i t o r ， a n d h o s t c o m p u t e r c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g t h e o v e r a l ls y s t e md e s i g n i n v o l v e sp u t t i n g f o r w a r dt h ei d e a f o r s y s t e m i n t e g r a t i o na n df i g u r i n go u tt h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma n d i t sf r a m e c h a r t ；t h ed e s i g no ns l a v em i c r o c o m p u t e rf o rs i g n a l a c q u i s i t i o na n dd a t a a n a l y s i sm e a n sw o r k i n go u tac e n t r a l c o n t r o lm o d u l e ，as i g n a la c q u l s l t l o n m o d u l e ad a t a c o m m u n i c a t i o n m o d u l e a n d a n a l y s i s s o t t w a 。e ； r e m o t e - m o n i t o rt e c h n i q u ed e s i g nm a i n l yw o r k st o d e v e l o par e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y b a s e d o n p s t n ；，h o s t c o m p u t e r m o n i t o r i n g - s o f t w a r e d e s i g n f o rc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g a n dc o n t r oil i n g m a i n l vi n t r o d u c e st h e d a t a b a s e a n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o fh o s t t o m p u t e r 1 i 湖南科技火学硕十学位论文 t h es y s t e mc a nr e a l i z et h e s i g n a la c q u i s i t i o n a n da n a l y s i so ft h e r u n n i n g s t a t eo f 16r o u t e sk e ye q u i p m e n t sb yt h es l a v em i c r o c o m p u t e r l o c a t e di nt h em i n e s l a v em i c r o c o m p u t e ra te a c hm o n i t o r i n gs t a t i o nc a nb e c o n n e c t e dt ot h eh o s tc o m p u t e rb yt h er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y b a s e do nc a na n dp s t nt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o lo f t h es a f e r u n n i n go fk e ye q u i p m e n t si n t h ee n t i r em i n i n ga r e a w i t ha c o m p a c ts t r u c t u r e a n dar e a s o n a b l e l a y o u t ，t h ew h o l es y s t e m h a st h e a d v a n t a g e so fp r e c i s es i g n a l a c q u is i t i o n ，q u i c ks i g n a lp r o c e s s i n g ，a n d p o w e r f u lr e a l t i m em o n i t o ra n dc o n t r o lf u n c t i o n ；w i t hap o w e r f u ld a t a b a s e m a n a g e m e n t ，i t ss o f t w a r eh a st h ea d v a n t a g e so faf r i e n d l yh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，e a s yi m p l e m e n t a t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：k e ym i n i n ge q u i p m e n t ；c a n & p s t n ；s i g n a la c q u i s i t i o n ； s i g n a la n a l y s i s ；i n t e g r a t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o l l i l 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：耳许良 日期：z 。5 年j 月才日 学位论文版权使用授权书 本人了解湖南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存 学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 、 又。 作者签名： 玉p 伸良 日期：z 口。8 年t 月才日 导师签名：啊哞譬 日期：jj 彦年厂月日 第一章绪论 1 1 课题概述 第一章绪论 1 1 1 课题资助来源 本课题的项目资助主要来源于国家安全生产监督管理总局科技发展 计划( 0 6 3 9 9 ) 一“矿山关键设备安全运行集成监测原理与技术研究”和 湖南省科技攻关计划( 0 5f j 4 0 71 ) 一“设备健康维护理论及其基于远程监 控的技术研究 。 1 1 2 课题背景及意义 我国矿产资源丰富，矿山生产上我国国民经济生产中最重要的生产 行业之一，矿山设备是矿山生产的支柱，它的安全运行是矿山企业安全 生产的重要组成部分，尤其是矿山关键设备的安全、高效运行更是矿山 企业安全生产的重中之重。以煤矿生产为例，煤矿是我国最主要的矿产 资源，煤矿企业的安全生产对我国的国民经济发展有着重要的支撑作用。 煤矿企业的生产主要以井下作业为主，煤矿安全事故归纳起来一般分为 三类：由于地质、环境因素造成的安全事故，如瓦斯爆炸、透水、坍 塌等，这类故障危害性大往往造成特大或特别重大事故；由于设备故 障因素引发的安全事故，如提升机、通风机、压缩机故障等，这类事故 的危害性不如第一类，但在煤矿安全事故中占有很大比例：由于管理 不善、忽视安全、违反操作规程等人为因素造成的安全事故，这类事故 在煤矿安全事故中也占有很大比例，不过这类事故的发生多是通过造成 设备故障或设备运行失控而引发的。据全国煤矿事故调查资料显示( 中 国煤况安全网，h ttp ：w w w cc m s n c n ) ：2 0 0 6 年全国发生各类煤矿安全 生产事故2 9 4 5 起，死亡人数47 4 6 人。其中归为第一类的4 5 起，死亡人 数9 77 人，其余主要是由于设备故障或人为因素引起设备故障而造成的， 约占总死亡人数的6 0 以上2 1 。可以说煤矿设备不但是煤矿生产的支柱， 它们的安全运行对煤矿安全生产起着决定作用。同时煤矿设备故障也是 制约煤矿高效生产的最主要因素，一旦发生局部的设备故障，如不能及 时确定故障部位及故障原因，往往造成整个生产的中断，带来巨大的生 湖南科技人学硕十学何论文 产损失。煤矿等矿山企业每年需花费高昂的设备维护费用，但由于设备 故障带来的经济损失仍然十分巨大。因此，保证煤矿等矿山企业关键设 备( 主要是指通风机、提升机、输送机、水泵、压缩机等大型矿井机械 设备) 的安全、高效运行是煤矿企业安全生产、提高效率、创造效益的 关键。如矿井通风机就是矿山企业生产的关键设备之一，它担负着向井 下输送足够数量的新鲜空气，以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘， 保证给矿山井下作业的工人一个安全、可靠、良好的工作条件。建立一 个可靠稳定的通风机安全运行监测监控系统是矿山等企业正常安全运行 的重要技术保障之一。因此，如何保障矿山关键设备的安全高效运行， 以及当故障出现后如何及时发现故障情况并采取有效的防范措施己引起 政府、学术界和矿山企业的高度重视。可见。从矿山关键设备入手，加 强设备安全运行状态检测与管理，是有效排除矿山设备运行安全隐患， 保证矿山安全生产的首要任务之一。 目前，我国矿山企业一般是建立于上世纪五六十年代，生产厂区大、 设备种类多、设备分布广。且这些生产设备大都是高危险、流水线作业， 工作环境恶劣，分布在生产厂区的各个不同区域，彼此独立，不便于进 行集中监测和控制。虽然当前部分厂区的设备已经应用了故障诊断技术， 采用诊断监测仪器对设备的的安全运行状态进行监测和维护，但都是彼 此独立，每一台设备就有一个独立的监测系统，必须配备专职人员负责 进行管理，在人员资源利用方面存在较大浪费，且不便于企业生产设备 管理部门的整体调度和管理，容易出现漏检少查，管理混乱的局面，为 企业安全生产埋下严重的事故隐患。随着网络技术和数据通讯技术不断 发展，为实现矿山关键设备安全运行集成监控提供了数据传输方面的技 术保证，安装在关键设备上的各传感器所检测到的电信号参数经工作站， 由数据分析处理服务器，集中传送到厂矿中央控制监测室，为工程师和 管理者提供数据决策依据。因此，如何将现代故障诊断技术和数据传输 技术结合起来，应用于矿山关键设备的安全运行管理，实现企业设备安 全运行的集成监控，成为解决设备安全运行事故隐患的关键技术问题。 针对我国矿山企业特殊的生产现场，实现对分散的、多样化的关键 设备进行实时监测与管理调度是一项复杂而艰巨的任务。由于通过单独 的监测诊断仪器是无法实现的，因此，针对矿山大型关键设备，通过电 话线、无线组网、自发射一接收等通讯方式实现关键设备在分散、环境 第一章绪论 恶劣情况下的数据传输，开发出基于通用平台的矿山关键设备集成实时 监测和信息化管理系统很有必要。随着我国国民经济的飞速发展，对以 煤矿为主的能源的需求同益涨大。部分企业在提高产量的同时疏忽了安 全问题，再加上目前我国煤矿生产和安全技术装备水平还普遍偏低，一 旦发生设备故障，很难及时发现故障并采取有效的治理措施，往往引发 安全事故或造成巨大经济损失。本论文针对我国煤矿安全生产中的这一 亟待解决的问题，拟进行以下方面的研究：通风机、提升机、输送机、 水泵、压缩机等矿山关键生产设各的典型机电故障机理及故障智能监控 与诊断方法；基于c a n 与p s t n 相结合的远程数据传输方法与技术； 矿山关键设备安全运行集成监控系统设计。 论文拟研制出“矿山关键设备安全运行集成监控系统设计”，该系统 设计的实现，能大幅度减少煤矿等矿山企业因设备故障导致的安全事故， 有效提高企业的生产效率和经济效益。本课题是一项创新性工作，具有 明确的工程背景和广泛的应用前景。 1 1 3 矿山安全监测监控与矿山设备故障诊断发展概述 1 1 - 3 1 矿井安全监测监控系统发展概况 矿井监测监控系统是煤矿等矿山企业高产、高效、安全生产的重要 保证，世界各主要产煤国对此都十分重视，投入大量的资金和技术研制 生产和推广使用环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排 水、矿山压力等监测监控系统。矿井安全监控系统，是通过监控影响矿 井安全的环境参数因素，如瓦斯、一氧化碳、风速、温度、负压等，实 时监控矿井的安全生产状况。上述这些参数借助于计算机、传感器、信 号传输与处理系统进行集中监测，并在紧急情况下，如瓦斯、一氧化碳 等参数出现超限情况下发出报警，进行区域断电控制。 我国现有的矿井监测监控系统虽在保证煤矿安全生产、提高生产率 和设备利用率等方面发挥了重要作用。但还有待于进步发展完善。 1 我国矿井监测监控系统的现状 早期的煤矿监测监控系统大多以模拟技术为主，由传感器、断电仪、 载波机、传输线、解调器、计算机、调度显示盘等组成。存在精度低、 抗干扰能力差、识错纠错能力弱等先天不足。国外研制矿井计算机监测 一3 - 湖南科技人学硕十学位论文 监控系统始于20 世纪6 0 年代，我国的煤矿监测监控技术应用较晚，在 8 0 年代初，分别从波兰、法国、德国、英国和美国等国引进了一批安全 监控系统( 如d a n 6 4 0 0 t f 2 0 0 ，m i n o s 和s e n t u r i o n 2 0 0 ) ，装备了部分 煤矿；在引进技术的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况， 先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l0 、k j l3 、k j19 、k j 38 、k j 6 6 、k j 7 5 、 k j 8 0 、k j 9 2 等煤矿安全监控系统，这些监控系统在我国煤矿己大量使用。 实践表明，安全监控系统对煤矿安全生产和管理起到了十分重要的作用， 各局矿大都已将其作为一项重大的安全装备。但是由于当时相当一部分 监控系统技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟 不上等原因，这些监控系统或者己被淘汰、或者已被停产，因此造成相 当一部分矿井无法继续正常使用已装备的安全监测监控系统。特别是近 几年来由于老系统服务年限将至，已经没有继续维修维护的必要，这些 系统急需更新改造。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企 业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂又相继推出了k j 9 0 、 k j 9 5 、k j10 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及ms n m 、 w e b g is 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在“先 抽后采、监测监控、以风定产 十二字方针和煤矿安全规程等文件 中，规定我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井 监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家不断出现，在国家尚没 有统一技术标准的情况下，各自制定自己的通讯传输协议和接口、子系 统标准、致使各生产厂家间的设备不能互联互通，信息不能共享，严重 影响了系统作用的发挥，同时也阻碍了煤炭生产企业的技术进步和新技 术的推广。 由于煤矿井下是一个特殊的工作环境，因此，矿井安全监控系统不 同于一般工业监控系统。这主要体现在电器防爆、传输距离远、网络拓 扑结构多采用树形结构、监控对象变化缓慢、要求对电网电压波动适应 能力强、抗故障能力强、不宜采用中继器、传感器、宜采用远程供电、 设备外壳防护性能要求高等方面。因此，一般工业监控原理和技术难以 直接运用到矿井安全监控系统中h ”。 2 现有的矿井监测监控系统存在的问题 现有的矿井监测监控系统虽在保证煤矿等矿山企业安全生产方面发 挥了重大作用，但由于这些系统监测参数单一、监测容量小、电缆用量 第一章绪论 大、系统性能价格比低，难以满足煤矿等矿山企业安生产的需要，主要 表现在如下几方面“，： ( 1 ) 现有系统通常都是针对某一监控对象而开发，为单一的环境安 全或其他专用监控系统，从而造成硬件不通用、软件不兼容、信道不共 享、信息不共享。用户难以通过简单的操作实现环境安全、轨道运输、 胶带运输等多方面底层监控的目的。 ( 2 ) 现有系统均在同一水平上重复开发，若要进行新领域的监控， 需要重新开发，且开发周期长，需要大量的人力、物力和财力。 ( 3 ) 现有系统均没有将数据、文字、声音、图像等多种媒体有机地 结合在一起，难以提高信息及系统的利用率。 ( 4 ) 现有系统均没有针对矿井机电一体化和移动监控研制，这主要 表现在没有用于机电一体化的、体积小的、功能齐全的本质安全型嵌入 式智能监控站和便携式仪器接入的移动测控网。 ( 5 ) 现有系统的通信协议均自我定义、互不兼容，没有一个符合矿 井电气防爆等特殊要求的总线标准，从而造成不同厂家的设备无法接入， 无法共享传输通道。 ， ( 6 ) 现有系统均为主从式传输，该种传输系统的可靠性受地面主站 设备及主干电缆影响很大，当被用于环境安全、轨道运输、供电系统等 单方面监控时，一般不会出现主站瓶颈效应，但用于全矿井多方面综合 监控时，由于信息量的增加，将会出现严重的主站瓶颈效应。 ( 7 ) 现有传感器及执行机构一般采用星形结构与分站连接。由于电 缆复用率低，需敷设大量的电缆，既增大了系统投资，又不便于系统维 护。 ( 8 ) 现有传感器及执行机构一般需经分站接入系统，这样虽然便于 分站实现就地控制，但当个别传感器和执行机构离分站较远，而离系统 电缆较近时，就显得十分不合理，既不便于系统维护，又增加了系统电 缆投资。 ( 9 ) 现有传感器输出信号为模拟信号，频率型( 电流型和电压型) 和开关量信号，很难实现传感器及执行机构的电缆多路复用。 ( 10 ) 现有传感器的电路一般都是针对某一种传感组件而设计，仅 能实现标校、显示、声光报警、信号输出等基本功能，不能使同一电路 配接不同传感组件，也不能实现多参数监测。 s 湖南科技人学硕+ 学位论文 1 1 3 2 矿山设备故障诊断发展概况 随着计算机和电子技术的迅速发展，它不断促进了矿山工业生产技 术的现代化，生产装备不断向着大型化、高速化、连续化和自动化方向 发展，使生产能力不断提高，同时对设备提出了新的要求，如性能要更 好，功能要更强，精度要更高。这些要求必然使设备越来越复杂，越来 越昂贵。大规模生产的流程化也越来越普遍，故障诊断技术也越来越多 地应用在各种各样的矿山设备中。这项技术不仅能节约设备维修成本 25 5 0 ，减少事故75 ，节约维修工时3 0 ：还能降低生产成本、节约 能源和物料消耗、极大地提高产品质量和生产效率。在我国的现代化矿 山建设中值得推广。 机械故障诊断技术可以大量应用在矿山生产中，根据传感器元件测 得的振动、温度、流量、噪声等信号，以及油样分析、无损探伤、在线 化学检验等结果，判断工艺流水线甚至整个矿山的生产状况是否j 下常， 是否出现故障的苗子，以便随时进行在线维护，将事故消灭在萌芽状态。 或及时安排在维修项目中，以便在停机检修中处理，不至因事故造成更 大的损失。 1 1 3 3 常用矿山设备故障诊断方法介绍 机械设备故障诊断技术的方法有很多，而且还在不断地发展，按照 设备状态信息的物理特征进行诊断的方法有以下几种1 - ： ( 1 ) 振动诊断。以机械振动、冲击、机械导纳以及模态参数为检测目 标，测量振动的频率、速度和加速度。 ( 2 ) 声学诊断。以声音的噪声、声阻、超声、声发射源为检测目标， 测量声音的声强、声压及声频。 ( 3 ) 温度诊断。以温度的温差、温度场、温辐射、热像为检测目标， 测量温度源的温度的大小。 ( 4 ) 化学诊断。以产品及泄漏物为检测目标测量气、液及固体的成分 变化情况和化学反应情况 ( 5 ) 光学诊断。以光亮和各种射线效应为检测目标，测量亮度、光谱 的情况。 ( 6 ) 强度诊断。以应力、应变、扭矩为检测目标，测量用力的强度的 第一章绪论 大小。 ( 7 ) 压力诊断。以压力、压差以及压力脉动为检测目标，测量压力及 流量的情况。 ( 8 ) 电磁量诊断。以电流、电压、电阻、功率及磁通为检测目标，测 量电磁量的情况。 机械设备故障诊断的方法有很多种，对于矿山设备尤其是对采掘设 备的监测，必须考虑其工作特点，如移动、冲击、振动、粉尘、淋水、 防爆要求和空间小难维护等因素的影响，所用的监测仪器必须与这些特 点相适应。因此使些监测方法受到限制，如被广泛接受的振动监测手 段，当被用于对采煤机的监测时，往往由于某些干扰，使诊断的准确性 交差，因此，故障诊断技术可根据不同的诊断对象、要求、设备、人员、 地点等具体情况，对设备的诊断采用不同的技术手段。而矿山机电设备 的故障诊断技术中，除采用机械中最普遍采用的振动监测和温度诊断外， 油磨屑分析近年来也被用于国内外的矿井机械设备的监测上，并且越来 越广泛地得到了成功的运用。 1 1 3 4 矿山设备故障诊断技术应用的关键问题 故障诊断技术应用关键在各种故障信号的测量方法选定后，故障诊 断技术在矿山生产中具体的应用关键还应注意以下几个方面阳- ： ( 1 ) 选择合适的测点位置，尽可能靠近能反映重要设备运转信息的故 障源，能够决定关键设备和工艺流水线能否正确生产状态信息。常用的 典型测点有：轴承、转轴、机壳、机座、缸体、缸盖、液( 气) 出口等部位。 ( 2 ) 测取尽可能多的信息，反映设备的震动、噪声、亮度、压力、应 力、温度、电压、电流、功率等信号。有的信号不但要定时抽取，还需 要连续测记i 有的信息不但要二维测量，还需要三维测量。 ( 3 ) 建立基准( 正常或额定运行时) 的信息库。在设备安装调试萨常运 转后，所测定的上述各量对照设计值确定一组额定值和允许变动的范围 作为基准值对照表，当设备不正常时，所测取的值就能和基准值进行比 较，经诊断后发出需要维修的提示信息。当设备故障严重时除了能发出 警告信号，甚至还能控制设备进入保护状态。 ( 4 ) 为了能保证测取信息的准确可靠性，防止干扰信号产生误诊断， 还应在硬件和软件方面设置过滤环节。硬件采用电子件组成低通、高通、 7 湖南科技人学硕十学位论文 带通滤波，器。软件则根据所测信号的特征采用不同的算法衰减噪声而提 取故障信号。随着电子元件及计算机的高速发展，采用电子技术和计算 机技术后使得故障诊断技术达到了空前完善、全面、准确的程度。若生 产规模较大时可连接上位机对几条生产线的微机联机进行群控。 1 i 4 国内外研究现状 在国外，美国、英国等工业发达国家早在上世纪6 0 年代就相继丌发 了自己的状态监测与诊断仪器对设备运行状态和潜在故障的振动及有关 信号自动采集、分析处理、显示打印、进行诊断、预报并采取必要措施 均取得良好效果。并且使用网络技术，实现了对分散设备的监控与管理， 如美国西屋公司早在8 0 年代就成功丌发了发电机组的网络化监控系统 l l lj o 我国的机械设备故障监测诊断在上世纪7 0 年代末才开始起步，当时 监测诊断设备主要依赖于进口，仅在少数大企业和部门使用。虽然我国 在机械设备状态监测与故障诊断领域的起步较晚，但发展势头很好，也 取得可喜的效果。 19 7 9 年，石油化工系统开展了红外诊断系统的研究，应用了声发射 定位系统：武汉钢铁集团公司在北京冶金设备研究院和武汉科技大学的 协助下，进行离心鼓风机和透平压缩机的状态监测和故障诊断研究。南 京钢铁厂与南京航空航天大学应用if d 共振调节原理开发了轧钢机系列 轴承在线故障诊断技术。 平煤集团公司和重庆大学合作开发了c d m s 故障诊断系统。它由传感 器、接口箱、微形计算机、打印机和绘图仪等硬件组成。与有关软件配 合使用，可进行数据采集，信号处理，振动监测和故障诊断。 国家矿山机械质量监督检测中心所研制的l k m d s 型故障诊断系统由 接口装置、计算机、打印机组成，把来自传感器、放大器的模拟信号进 行模数( a d ) 转换，转换后的数字量通过总线接口板送至计算机，用计算 机实现信号分析、显示、存贮功能，打印机用于数据和图形输出。不同 的监测参数，选用不同的传感器、放大器。根据不同的监测场合选用不 同的计算机和打印机，形成现场或试验室的状态监测和故障诊断系统。 中国矿业大学、煤炭科学研究总院常州自动化等单位相继开发的煤 矿安全监控系统，集矿井调度通信、监测于一身，能实现对矿山井下环 第一章绪论 境参数和生产参数的监测。北京交通大学电子信息工程学院肖硕、魏学 业等研制开发了煤矿风机主扇监控系统，该系统能实时监测风机轴温，工 作电压，巷道风压等参数，实现了风机工作状态的全面监控；河南郑煤集 团公司吴雪玲、李磊丽等研制了矿井提升机故障诊断及安全保护系统， 实现了对矿井提升机运行状态的在线监测和实时保护；黑龙江省电子技 术研究所研制开发了煤矿提升机多绳张力自动监测系统，实现了对矿井 提升机安全运行状态的自动监测与保护，为设备的安全运行提供了保证； 辽宁工程技术大学研制开发了一种煤矿安全监测集成装置，专利号为 z l 2 0 0 5 2 0 0 9 3 6 4 5 0 ，该装置通过采用软硬件集成技术，实现与上位机和 手机短信通讯，增强了通讯功能，降低了成本，提高了可靠性；通过采 用虚拟仪器的l a b vie w 软件，实现可视化图形界面。杨子冬，高翠利等 研制开发了基于控制局域网络技术的煤矿安全监测系统，专利号为 z l 2 0 0 52 01 18 7 6 6 6 ，该系统主要通过采用c a n 总线控制局域网络技术， 将设置在井上的监测中心设备和设置在井下工作区域的多个井下数据监 测单元及多个井下人员定位单元连接在c a n 总线上形成一个监测系统， 以解决利用先进现场总线技术监测矿井中的气体流动、人员定位以及紧 急情况下自动启动各种应急设备的问题。 显然，以上所研制开发的监测诊断系统或装置在矿山安全生产的实 际应用中取得了一定的成效，但这些监测诊断系统或装置要么只是针对 某个煤矿现场特定生产环境而设计；要么只是针对某个特定的煤矿机械 设备而开发的独立的监测诊断分析仪器，或者是基于生产现场已有的网 络条件而开发的在线监测诊断系统，普遍存在着智能诊断程度低、监控 对象单一、技术含量不高、不便于集成监控、通用性差等缺陷。由于受 网络条件的限制，并不能对生产厂区内的各个设备进行集成集中监控。 而矿山机械设备的使用特点是：地区偏僻、布置分散、装置多样性。如 果针对每个特定设备开发独立的监测分析仪器，其成本将非常大。而且 机械设备布置分散，使用独立的监测仪器对这些设备进行监测诊断，不 但要耗费很大的人力和财力，还不能实现对关键设备的实时监测并及时 发现故障。因此，研究煤矿等矿山关键设备集成健康监控原理，开发保 证煤矿关键设备健康安全运行的集成监控与智能诊断技术，实现对设备 运行的科学管理，是以煤矿为主的矿山企业提高经济效益亟待解决的关 键问题。 9 一 湖南科技人学硕十学位论文 1 2 论文主要研究工作 本论文旨在设计一种基于通用平台的矿山关键设备集成实时监控 系。它主要由下位机信号采集分析部分设计、上位机集成监控部分设计、 远程数据传输部分设计以及相应的配套数据处理软件设计组成。论文的 主要研究内容包括如下三点： ( 1 ) 研究矿山关键设备安全运行集成监控原理与方法。应用现代检 测技术，研究矿山关键设备运行状态参数监测原理和技术，提取有效反 映设备安全运行状态的特征信号。采用调制解调、信号消噪与信号辨识 等方法，研究基于c a n 与p s t n 相结合的远程通讯技术策略的实时数据传 输原理与方法：应用信息编码、解码或无线发射一接收原理，研究基于 c a n 与p s t n 相结合的远程数据传输方式的多点远程实时数据传输原理与 方法；通过应用上述原理与方法，研究矿山关键设备安全运行集成监控 系统整体方案设计。 ( 2 ) 研究矿山关键设备安全运行集成监控硬件系统设计。研究基于 p s t n 远程数据传输技术的分布式集成监控方法，设计一套集程控滤波、 信号调理、自动增益放大、高速数据采集、数据分析、网络通讯于一体 的智能集成监控硬件系统。 ( 3 ) 设计基于通用平台的矿山关键设备安全运行信息化集成监控系 统。通过采用规范化数据库、通用组件编程技术，为关键设备的集中监 控、信息化管理、故障诊断等建立通用的安全运行集成监控环境；通过 实时动态显示反映矿山关键设备运行状态的电压、电流、位移、速度、 振动等信号，以及故障类别、故障原因、故障查询、报警等信息，研究 矿山关键设备运行状态集中监测与网络信息化管理技术和方法。 全文共分为六章。第一章阐述了本课题项目资助的来源、背景以及 研究的理论意义与现实意义，并综述矿井监测监控系统的应用对于保障 矿山企业安全生产的重要性和它的发展情况及其存在的不足之处，紧接 着又简述了矿山设备故障诊断发展概况和常见的矿山设备故障诊断方法 及其应用的关键问题，然后分析了运用机械故障诊断技术对矿山大型机 械设备运行状态的参数量进行现场采集分析与监测的国内外研究现状及 其存在的问题，最后提出本论文主要研究工作；第二章主要提出系统总 第一章绪论 体设计思路，并构建系统总体设计框架，同时简要介绍了系统总的结构 组成和设计过程中采用的关键技术解决方案以及系统设计的基本功能； 第三章主要介绍了系统下位机数据采集部分设计的总体结构组成、采用 的技术方法和将要实现的功能，并给出系统下位机的硬件设计的结构原 理框图以及软件设计流程图及其软件运行生成界面，并对系统下位机设 计中采用的技术解决方法进行了分析和说明；第四章阐述p s t n 数据传输 技术的发展情况以及它的工作原理和特点，并将本章所设计的p s t n 的远 程数据传输技术应用于本系统远程数据传输部分，以便位于各个矿井监 控站的下位机和上位机联网形成对整个矿区内各个监控站矿井关键设备 安全运行的实时监控与管理；第五章主要介绍了系统上位机监控端数据 库软件设计和实现，详细介绍了系统上位机数据库设计的结构组成以及 它的实现过程；第六章对全文进行了总结，并对进步的工作进行展望。 1 3 本章小结 本章首先阐述了课题资助项目的来源、背景及研究的意义，接着阐 述矿井监测监控系统的应用对于保障矿山企业安全生产的重要性以及它 的发展情况和存在的不足，紧接着又简述了矿山设备故障诊断发展概况 和常见的矿山设备故障诊断方法及其应用的关键问题；然后分析了运用 机械故障诊断技术对矿山大型机械设备运行状态的参数量进行现场采集 分析与监测的国内外研究现状及其存在的问题，最后根据对国内外研究 现状的分析提出了本论文主要研究工作。 湖南科技人学硕士学位论文 第二章系统整体方案设计 2 1 系统整体设计 2 1 1 系统整体设计技术路线的提出 、 信号集成通讯技术 -一-一一-_- f i g u r e2 1t e c h n i c a l r o u t eo fi n t e g r a t i o nm o n i t o ra n d c o n t r o ls y s t e mf o rs a f e - r u n n i n go fk e ym i n i n ge q u i p m e n t 图2 l 矿井关键设备安全运行集成监控系统技术路线框 1 2 第二章系统整体方案设计 由于我国矿山企业特殊的生产条件、恶劣的生产环境，实现对对分 散的、多样化的关键设备进行集成监控是一项非常艰巨的任务。通过单 独的监测诊断仪器是根本无法实现的，因此，针对矿山大型关键设备， 通过电话线、自发射一接收等多种通讯方式实现关键设备在分散、环境 恶劣情况下的数据传输，设计出一种基于通用平台的矿山关键设备集成 监控信息管理系统不仅必要，而且是急须的。本论文通过采用c a n 总线 和电话线相结合的信号传输方式，力求设计一种基于通用平台的矿山关 键设备分布式集成实时监控系统，以便实现对矿山关键设备安全运行的 科学管理，从而解决矿山企业潜在的安全隐患难题。其系统整体设计的 技术研究路线框图见图2 1 所示： 大 ，f 幕显示器 输送机提升机通j x l 机水泵j = i 确鞠【提升机通j x 晡l水泵输送机 f i g u r e2 - 2o v e r a l ls t r u c t u r eo f 此s y s t e m 图2 - 2 系统整体结构框图 1 3 湖南科技人学硕十学位论文 2 1 2 系统整体设计的结构组成 论文设计的矿山关键设备安全运行集成监控系统主要包括系统下位 机数据采集部分、系统远程数据传输部分和系统上位机监控软件三大部 分设计，其整体结构设计图如上图2 2 所示。本系统的整体设计思想是 通过位于各个矿山监控站下( 每一个矿山井下设一个监控站) 的下位机 实现同时对其相应监控站内的16 路矿井关键设备运行状态信息进行现场 采集，并对采集到的故障状况信息进行实时分析与诊断的目的。同时， 通过c a n 与p s t n 相结合的远程数据传输技术，位于各个矿井监控站的下 位机又可与中心监控室的上位机联网形成整个矿区内矿井关键设备运行 状态的综合监控与管理。其中，下位机数据采集部分采用模块化设计， 主要包括主控模块、数据采集模块、通信模块以及相应的数据采集分析 软件四部分设计组成；系统远程数据传输部分设计主要包括应用p s t n 作 为系统的远程数据传输技术在本系统中的具体设计和实现；系统上位机 监控软件设计主要是包括上位机监控管理数据库的设计和实现。 2 2 系统设计的功能 ( 1 ) 实时数据采集功能 位于每个监控站的下位机数据采集处理芯片均采用先进的3 2 位d sp 高速信号处理芯片作为系统下位机数据采集部分的核心处理芯片，每个 监控站的下位机都能够实时采集并处理相应矿井监控站内的l6 路矿井关 键设备的运行状态信息。 ( 2 ) 集成监控功能 位于中央控制室的上位机通过基于c a n 与p s t n 的数据传输技术，能 够实时地与分散于各个矿井监控站的下位机联网形成对整个矿区内矿山 关键设备的集成监控。 ( 3 ) 动态显示功能 系统上位机通过与分布于各矿山监控站的下位机联网，能够实时动 态的显示整个矿区内各矿井关键设备的运行状态信息，从而为有关技术 管理人员及时了解设备的故障情况，采取有效的防护措施，避免重大的 事故提供可靠的依据。 ( 4 ) 历史数据查询功能 系统上位机设计了强大的监控管理数据库，具有历史数据查询功能， 系统可存储7 天内采集的整个矿区内大型关键设备运行状态历史记录。 矿区技术管理人员可随时查询这7 天内任意一台关键设备的运行状态信 息，以便为事故分析提供依据。 ( 5 ) 智能诊断功能 系统下位机硬件上固化先进的信号采集分析处理软件，并存储大量 1 4 第二章系统整体方案设计 的矿山关键设备正常运行状态信息，能够迅速智能的诊断出所采集的矿 山关键设备的故障运行状况。 2 3 本章小结 本章首先分析了矿山企业生产的现实生产环境，接着提出了系统整 体设计的技术路线，然后介绍了系统的整体结构组成以及系统设计的功 能，并给出系统整体设计的思想和结构框架图。 1 5 湖南科技人学硕十学位论文 第三章系统下位机信号采集分析部