（测试计量技术及仪器专业论文）矿用主通风机远程监测预警系统的研发.pdf

摘要 矿井主通风机是保证矿井和井下工人安全的关键设备 它们的安全 可靠 高效运行是矿井安全的必要保证 然而由于主通风机长时间处于不间断运转中 因而在其运行过程中会存在着多种故障隐患 这些故障隐患严重地威胁着整个矿 井的生产与安全 因此 有必要对通风机进行运行状态监测与故障预警 由于通 风机分散在整个矿区的不同区域 并且相距中心矿区偏远 所以 建立矿用主通 风机远程监测预警系统具有重要意义 在对通风机监测预警技术的发展历程 现状和趋势进行深入调查和研究的基 础上 通过应用计算机监控技术 工业以太网技术 故障诊断技术和信息融合技 术等 确定了矿用主通风机远程监测预警系统的模型 即系统硬件平台 系统软 件平台和故障预警平台三层体系结构 其中硬件平台采用标准d c s 体系结构实现 对通风机状态参数的实时采集与远程传输 软件平台采用k i n g v i e w 组态软件实 现对通风机的状态参数监测和运行仿真 故障预警平台采用v c 6 0 开发出基于 信息融合技术的故障预警软件 运用b p 神经网络与d s 证据理论相结合的方法实 现对通风机多点振动信号的融合分析 其中硬件平台与软件平台之间通过 m o d b u s j c p 网络协议进行通讯 软件平台与故障预警软件之间通过o p c 客户端 服务器模式进行通讯 该系统的特点是采用模块化的设计思路 实现矿用主通风 机的远程监测和多路振动信号的融合诊断 具有预警功能 系统于2 0 0 6 年1 0 月 运行至今状态良好 性能稳定 实现了预期的功能 关键词 远程监测 故障预警 信息融合 神经网络 证据理论 振动 a b s t r a c t t h em a i nv e n t i l a t o r si nm i n ea r et h ek e ye q u i p m e n t sg u a r a n t y i n gt h es a f e t yo ft h em i n ea n d t h em i n e s t h e i rs a f e r e l i a b l e e f f i c i e n tr u n n i n gi st h ee s s e n t i a lg u a r a n t e eo ft h em i n es a f e t y b e c a u s eo ft h el o n gc o n t i n u o u sw o r ko ft h ev e n t i l a t o r t h e r ew i l lb eav a r i e t yo fh i d d e nt r o u b l e s d u r i n gt h e i ro p e r a t i o n t h e s eh i d d e nf a u l ts e r i o u s l yt h r e a tt ot h e e n t i r em i n ep r o d u c t i o na n d s e c u r i t y t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r y 幻m o n i t o rt h em a i nv e n t i l a t o rr u n n i n gc o n d i t i o na n dw a r nt h e f a u l t a st h ev e n t i l a t o r ss c a t t e ri nd i f f e r e n tr e g i o n so fam i n ea n da r ef a ra w a yf r o mt h em i n i n g c e n t e ra r e a i ti sv e r ye s s e n t i a lt oe s t a b l i s ht h er e m o t ea n de a r l y w a r m i n gs y s t e mf o rt h e m a f t e rt h ed e e pi n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s t h es t a t u sa n dt r e n d so f t h e m o n i t o r i n ga n de a r l y w a r n i n gt e c h n o l o g yo ft h ev e n t i l a t o r t h em o d e lo fr e m o t em o n i t o r i n ga n d e a r l y w a r m i n gs y s t e mf o rt h em a i nv e n t i l a t o ri se s t a b l i s h e db a s e do nm o n i t o r i n gt h r o u g ht h eu s e o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y i n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g y f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g ya n d i n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g y t h i sm o d e lc o n s i s t so ft h r e ep l a t f o r m s h a r d w a r ep l a t f o r m s o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h ef a u l te a r l yw a r n i n gp l a t f o r m t h ep a r a m e t e r so fv e n t i l a t o ra r ea c q u i r e d r e a l t i m ea n dt r a n s m i t t e dl o n gd i s t a n c eo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h ed c s t h ef u n c t i o n s o fp a r a m e t e r sm o n i t o r i n ga n dv e n t i l a t o ro p e r a t i n gs i m u l a t i o na l ea c h i e v e do nt h es o f t w a r e p l a t f o r mw h i c hi sd e v e l o p e db yt h ek i n g v i e ws o t b v a r e t h eb pn e u r a ln e t w o r k sa n dt h ed s e v i d e n c et h e o r ya r ec o m b i n e dt oa c h i e v et h em u l t i p o i n tv i b r a t i o ns i g n a l sd i a g n o s i so nt h ef a u l t e a r l yw a r n i n gp l a t f o r mw h i c hi sd e v e l o p e db yt h ev c 幅 0 t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e n t h el a y e ro ft h eh a r d w a r ea n dt h el a y e ro ft h es o f t w a r ei st h em o d b u st c p t h ec o m m u n i c a t i o n m o d eb e t w e e nt h el a y e ro ft h es o f t w a r ea n dt h el a y e ro ff a u l te a r l yw a r n i n gi so p cc l i e n t s e r v e r t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yt h eu s eo fm o d e ld e s i g n av e n t i l a t o rr e m o t em o n i t o r i n ga n d m u l t i c h a n n e lv i b r a t i o ns i g n a li n t e g r a t i o nd i a g n o s i s w i t he a r l yw a r n i n gf u n c t i o n t h es y s t e mh a s r u ns t a b l ya n da c h i e v e dt h ee x p e c t e df u n c t i o nf r o mt h eo c t o b e r2 0 0 6 k e y w o r d s r e m o t em o n i t o r i n g af a u l te a r l yw a r n i n g i n f o r m a t i o nf u s i o n n e u r a ln e t w o r k d se v i d e n c et h e o r y v i b r a t i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 匀墨纫勿 日期 缈7 歹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部 或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 匀j 励溺 导师签名 日期 2 加7 第1 章绪论 第1 章绪论 l 1 课题背景及研究意义 矿用通风机是一种非常重要的煤矿大型固定设备 如图1 一l 所示 它承担着 向井下输送新鲜空气的重要任务 是 保证矿井安全和生产最重要的装备和 环节 通风机被形象的称为矿井的 肺 脏 分区式通风矿井由多台主通 风机构成整体的通风系统 这些主通 风机一方面 分散在整个矿区的不同 区域 并且位置相距中心矿区偏远 安全和生产管理一直处于相对松散的 状态 另一方面 对通风机只有现场 监测 并且大部分还停留在人工看表 定时记录的方式上 所记录的数据主 图1 1 通风机现场 f i g 1 1t h e c e a go f v e n t i l a t o r 要依靠工人的自觉行为和经验 使数据难以准确和全面 对有些参数尽管采用了 模拟量超限报警的形式 但没有故障预警功能 在工业自动化发展过程中 监测预警系统的概念被提出 被广泛应用于各行 各业 包括环境 能源 设备等 对于设备的监测预警 它的功能是对设备的状 态参数进行监测和记录 当出现异常时能够提前报警 做到防患于未然 系统的 功能决定了其由两大部分组成 即实现参数采集的硬件部分和实现监测和预警功 能的软件部分 科技的日新月异带动了系统的硬件和软件的发展 因此 为保障通风机安全可靠 高效经济的运行 提高通风机运行控制的自 动化管理水平 为矿用主通风机建立远程监测预警系统具有重要意义 具体体现 在以下几个方面 1 将高新技术运用于通风机的安全运行管理 提高通风机的自动化管理手 段 全面提升矿井的机电和安全管理水平 2 实现对通风机安全运行状态的实时2 4 小时在线监测 3 实现对通风机的故障隐患提前预警 由被动检修转变为主动检修 及时 消除事故隐患 确保通风机的安全可靠运行 4 实时提供通风机的运行工况和最佳工况 实现通风机的高效经济运行 5 实现通风机安全运行所有信息通过企业局域网的联网传输 使矿 集团 领导和管理部门及时了解通风机运行状态的实时信息或历史信息 1 2 监测预警系统发展现状 监测预警系统的发展体现在硬件和软件两个方面 系统由过去的仪表控制和 人工监测发展为计算机监测系统 并出现了通用性的 功能强大的组态软件 通 过设定监测参数的报警值来实现预警功能 当前主流的计算机监测系统有以下四 种 2 1 3 1 下面详细介绍各种监测系统的体系结构 现场设备和系统特点 1 2 1p l c 构成的监测系统 1 体系结构 p l c 是一种可独立运行的控制器 其主体由主控模块 i o 模块 电源模块 和网络通信模块构成 这些模块通过一个总线背板连接在一起 并用金属架实现 机械固定 p l c 本身没有人机界面 只有指示灯和小尺寸液晶屏 以进行状态显 示或简单的运行参数显示 在p l c 的现场安装和实际运行之前 必须对p l c 进 行编程 也就是d c s 中常说的组态 与d c s 不同的是 p l c 的组态工具与运行 系统是分离的 因此 可以用同一套组态工具对多个p l c 控制系统进行组态 在完成组态 编译并下装 形成可以独立运行的目标系统 p l c 就可以脱离组态 工具 完全自主地运行 p l c 监测系统也可以增加人机界面功能 很多独立的软 件供应商可以提供用于p l c 监测系统的人机界面软件 如i n t o u c h i f i x 等 形 成一个完整的监测系统 2 现场设备 p l c 监测系统的现场设备就是其本身 小型的p l c 一般可以安装在现场电 气柜中 可以与低压电气设备安装在一起 对于中大型p l c 可采用独立的系统 机柜进行安装 p l c 一般做成一体化结构 其i o 模块和现场信号端子是一体的 并不单独配置端子板或端子排 安装方式采用标准导轨 3 系统特点 p l c 系统的特点是其构成部分的完全产品化 这其中包括p l c 产品 组态 工具软件产品 人机界面和监测软件产品 网络产品等 这类系统一般由用户自 行购买各类产品并自行组成系统 目前各厂家p l c 基本都支持以太网 与p l c 配套的组态工具软件 人机界面软件也基本采用p c 机的硬件环境和w i n d o w s 的操作系统环境 即所谓的w i n t e l 结构 因此其开放性很好 但由于各个厂家 的网络通信规约不同 无法实现设备的互换 p l c 在现场信号的处理方面也比较 简单 1 2 2p c b a s e d 监测系统 1 体系结构 p c b a s e d 监测系统是一种小型的 灵活的 低成本的系统 由于p c 本身具 有运算处理 人机界面等功能 因此 可以利用p c 构成一个完整的系统 这种 系统在p c 的基础上 利用p c 本身的总线槽位 插入f o 板卡 同时在p c 机中 装入相应的软件 实现监测功能 系统人机界面可直接利用p c 的c r t 屏幕 键 盘和鼠标 这类系统的功能主要取决于在p c 机上运行的软件 因此功能非常灵 活 例如在p c 中装入直接控制软件就可以形成直接控制系统 装入s c a d a 软 件就可以形成监测系统 装入p l c 软件 就可以成为一台p l c 也就是所谓的 软p l c s o f tp l c 为此 可以通过软件的配置 使系统同时具有多种功能 2 现场设备 p c b a s e d 监测系统没有现场设备 这类系统将现场信号直接接入 插在p c 总线槽内的i o 卡中就可 3 系统特点 p c b a s e d 监测系统的突出优点是其灵活性和低成本 但其弱点则是其可靠 性低 由于p c 本身的设计是针对个人的桌面应用 其可靠性自然不如工业级的 产品 而将所有功能集于一身的系统更凸显了这个弱点 因此 虽然这类系统有 很好的灵活性和价格优势 也不宜用在关键性的环节中 另外 系统的规模不可 能很大 近年来有不少工业级的p c 出现 主要在电源 机械结构和散热等方面 做了改进 但由于基础体系结构没有改变 因此主要应用于小型系统中 价格是 p cb a s e d 系统的最大优势 因此在小型应用中 这类系统发展的非常快 1 2 3s c a d a 系统 1 体系结构 s c a d a 系统的主要功能是监测 它由人机界面设备和数据采集设备组成 对于一些规模小的s c a d a 系统 现场数据经过数据采集设备集中后直接送到人 机界面计算机中 由该计算机进行数据的存储 处理和显示等操作 在一些规模 大的s c a d a 系统中 还应该有专门的数据服务器进行实时的数据存储 处理和 访问查询 人机界面设备主要是操作员工作站 由c r t 显示 键盘 鼠标等组 成 数据采集设备是安装在现场的远程终端单元 即r t u 这是一种没有控制 功能的 只有现场i o 数字化及打包传送功能的现场设备 r t u 只将现场的原 始数据送到人机界面计算机或服务器上 其本身没有本地数据库 因此也无法进 行任何本地的处理 北京工业大学工学硕士学位论文 2 现场设备 s c a d a 系统的现场设备就是r t u 和用于远程通讯的设备 这些设备设计力 求简单 但要有极高的可靠性 因为这些设备一般分散安装在各个不同的地点 绝大多数没有专用的电子设备间和现场维护人员 而且数量很大 一旦出现故障 很难维修 因此r t u 对现场干扰 特别是对现场各种恶劣环境的抵御能力 如 高电压 大电流冲击 雷击及人为破坏等 都有很高的要求 3 系统特点 s c a d a 系统的特点在于其广泛的监视范围和庞大的数据量 这类系统一般 不追求毫秒级的响应 但系统所包含的监测点非常的多 因此需要一个强有力的 中心数据库作为支持 另外 s c a d a 系统的人机界面是非常讲究的 由于信息 量大 因此要精心设计人机界面 既要全面反映现场发生的所有情况 又要排出 很多干扰 突出重点 1 2 4d c s 1 体系结构 一个基本的d c s 应包括四个大部分 至少一台现场控制站 操作员站 工 程师站 也可利用一台操作员站兼工程师站 条系统网络 体系结构如图2 所示 圈 圆团圆 oo8g k l o0 现场变送器 执行器 传感器 图1 2 d c s 体系结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r eo f t h ed c ss y s t e m 操作员站主要完成人机界面功能 一般采用桌面型通用计算机系统 为了提 高画面的显示速度 一般都在操作员站上配置较大的内存 现场控制站是d c s 的核心 系统的主要功能由它来完成 系统的性能 可靠性等重要指标也都要依 靠现场控制站保证 现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统 除 4 第 章绪论 了计算机系统所必需的c p u 存储器外 还包括现场测量单元 执行单元的输 入输出设备 即过程量i o 或现场i o 工程师站是d c s 的一个特殊功能的站 其主要功能是对d c s 进行组态 通过组态便一个通用的d c s 成为一个针对具体 应用的可运行系统 系统网络是d c s 系统另一个重要的组成部分 它是连接系 统各个站的桥梁 由于d c s 是由各种不同功能的站组成 这些站之间必须实现 有效的数据传输 以实现系统的总体功能 因此系统网络的实时性 可靠性和数 据通讯能力关系到整个系统的性能 特别是网络的通信规约 关系到网络通信的 效率和系统功能的实现 随着网络技术的发展 很多标准的网络产品陆续推出 特别是以太网逐步成为事实上的工业标准 越来越多的d c s 厂家直接采用以太 网作为系统网络 2 现场设备 d c s 的现场设备包括过程量i o 主控单元 电源 通信网络和机柜等机械 安装结构件 过程量i o 包括模拟量输入输出 开关量输入输出和脉冲量输入输 出等 结构形式有插板式和模块式两种 主控单元包括c p u 和存储器 电源分 为逻辑电源和现场电源 逻辑电源为工程量y o 和主控单元供电 现场电源为现 场i o 继电器 现场仪表等 供电 两种电源实现电气隔离 不容许共地 通 信网络包括交换机和路由器等 3 系统特点 d c s 自2 0 世纪8 0 年代末至今 已经发展到了第四代d c s 主要特征是 信息化与集成化 混合控制系统 包容f c s 进一步分散化 i o 处理单元小型化 智能化 低成本 平台的开放性与应用的软件化 4 d c s 发展列举 2 0 世纪9 0 年代未 几个有代表性的d c s 公司纷纷推出他们成熟的新一代 系统 如h o n e y w e l l 公司最新推出的e x p e r i o np k s 工程知识系统 e m e r s o n 公司的p l a n t w e b e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t f o x b o r o 公司的a 2 横河公 司的c s 3 0 0 r 3 p r m 一工厂资源管理系统 a b b 公司的i n d u s t r i a l 系统等 国内比较有代表性的d c s 厂家主要有浙大中控 上海新华与和利时公司 和利 时公司的第四代d c s h o l l i a s 已经到达国际先进水平 1 3 矿用主通风机的监测预警技术发展趋势 矿用主通风机的监测预警技术的发展经历以下四个阶段f 4 1 离线监测与人工诊断方式 早期矿用主通风机的监测 往往采用眼看 耳听 手摸等 凭人的感觉和经 验即可进行判别 这是运用简单手段进行简单的状态监测和故障诊断 无法实现 预警功能 在这种监测方式下 判断结果受到工作人员经验等状况的影响 因此 北京工业大学工学硕士学位论文 准确性难以保证 随着通风机的监测的复杂化 这种简单的方法越来越显得无能 为力 2 以集中式控制为特征的单机监测预警 这是第一代监控预警系统 这时对矿用主通风机的监测预警的功能主要是由 一台计算机和一块或多块功能模板构成 信息的交换与处理仅限于监测与诊断系 统内部 因而是一种封闭式的系统 该方式下 监测和预警功能由上位机软件实 现 一般采用监测参数的幅值超限预警 3 以局域网络 集散化控制为特征的分布式监测预警 它主要是针对矿用主通风机地域分布广的特点 通过工业局域网 把分布在 各个局部现场的多台通风机互联起来 以实现资源共享 协同工作 分散监测和 集中操作 管理和预警功能的计算机网络系统 这是基于工业局域网的相对开放 的系统 监测预警信息的处理在局域网内部进行 该方式下 监测和预警功能由 中心软件实现 一般采用监测参数的幅值超限预警 同时在该阶段出现了基于模 式识别技术的智能预警 4 基于i n e m e t 的远程监测预警 进入2 0 世纪9 0 年代后 随着计算机技术和信息技术发展 对于矿用主通风 机的状态监测和故障预警也进入i n t e r n e t 阶段 这是一种传统监测预警技术与现 代网络技术相结合的一种新型技术 这类系统采用i n t e m e t 和i n t r a n e t 技术实施 异地远程监测和预警 能充分利用远程专家的技术支持和共享数据 大大的提高 了监测预警效率 如上所述可以看到 矿用主通风机监测预警技术的发展主要体现在硬件平台 的变革 而对于故障预警技术只局限在基于幅值超限的传统预警与基于模式识别 技术的智能预警 上述监测预警方法存在的问题是监测方法局限于本地化 预警 方法局限于单一信号的独立分析 具体体现在信号类型单一 测点位置单一 在这种方式下无法实现对通风机全面 准确的监测和预警 因此远程的 基于多 信号融合分析的智能监测预警方法将是今后矿用主通风机监测预警系统的发展 趋势 1 4 矿用主通风机的监测预警系统国内外研究现状 早在2 0 世纪6 0 年代末 美国国家宇航局就成立了美国机械故障预防小组 m e p g m a c h i n e r yf a u l tp r e v e n t i o ng r o u p 在旋转机械的监测预警方面 首推 美国西屋公司 到1 9 9 0 年已发展成为网络化的汽轮发电机组智能化监测预警专 家系统 还有以b e n t l e yn a v a d a 公司的d d m 系统和a d r e 系统为代表的多机组 在线监测预警系统 美国本特公司的t s 系统 日本三菱公司的m h m 系统 s d 公司的m 6 0 0 系统等 5 11 6 1 在信息融合技术方面国外研究也起步比较早 这些系 6 第1 章绪论 统的特点是技术先进但是价格昂贵 我国自1 9 8 5 年以来 由中国设备管理协会设备诊断技术委员会 中国振动 工程学会机械故障诊断分会和中国机械工程学会设备维修分会分别组织全国性 故障诊断学术会议已经召开十余次 各个行业都很重视在关键设备的监测预警系 统 s 目前我国在旋转机械的诊断研究方面已经很有特色 形成了一批自己的监 测预警产品 如西安交通大学的 大型旋转机械计算机状态监测和故障诊断系 统 哈尔滨工业大学的 机组振动微机监测和故障诊断系统 东北大学的 风 机状态监测诊断系统 北京科技大学的 0 l m a 2 系统 重庆大学的 c m d 9 0 信号分析与故障诊断系统 和哈尔滨工业大学的 3 m d l 汽轮发电机组模糊诊 断系统 这些系统主要应用于冶金电力等领域 这对我国诊断技术的发展必将 取得巨大的推动作用 7 j 对于矿用主通风机监测预警系统国内也有研究 1 9 9 4 年 江西煤炭工业研 究所开发的 k f c a 型通风机监测仪 该仪器的特点是可以实现对通风机状态 参数的集中监测 9 1 9 9 8 年 煤炭总院重庆分院由李祥和等人开发的 f j z 型矿 井主要通风机在线监测与故障诊断仪 以8 0 5 1 单片机为核心 可以实现监测与 机械故障预警功能 l 1 9 9 9 年 中国矿业大学胡亚非教授等人开发的 k j z 1 型矿井主通风机在线监测与通讯系统 可以实现计算机采集 处理和显示监测 参数 2 0 0 0 年 中国矿业大学胡亚非教授等人又推出 z 2 型矿井主通风机在 线监测与通讯系统 该系统的特点如下 软件由v b 开发 硬件包括各种传感 器及采集模块 监测的参数包括 电流 电压 静压 风机起停 轴瓦温度和振 动 同时可以提供趋势曲线 数据查询 工矿点 数据报表功能 该系统已经商 品化 市场价为1 5 万人民币l l 1 5 本课题的来源及主要研究内容 论文研究的课题来源于山西同煤集团的项目 k s j 矿用大型固定设备安全 运行监测预警系统 经费3 0 0 万r m b 旨在山西同煤集团四台矿安装d c s 系统 并开发故障预警软件 实现对矿用大型固定设备 通风机 提升机 空压机 水 泵 的状态监测和故障预警 四台矿是同煤集团下属最年轻的发展型矿井 是年产原煤生产能力5 0 0 万吨 的特大型煤炭企业 1 9 9 1 年1 2 月1 3 日建成投产 矿井地质储量5 5 亿吨 可 采储量3 4 亿吨 设计服务年限4 9 年 产品行销全国2 0 多个省 市 自治区 及日本 香港等国家和地区 四台矿坚持走科技兴技兴企之路 不断开发和引进 新工艺 新设备 新成果 依靠科技进步和科技创新 取得了产量和效益的双丰 收 本课题研究的主要内容包括 北京工业大学工学硕士学位论文 1 针对矿用主通风机构建监测预警系统硬件平台 d c s 硬件系统 2 针对矿用主通风机构建监测预警系统软件平台 d c s 软件组态 3 设计基于信息融合技术的故障预警方法 4 利用v c 6 0 开发故障预警软件 本课题所构建的矿用主通风机监远程测预警系统的特点如下 硬件采用先进 的d c s 系统 软件采用功能强大的组态软件 基于信息融合技术的故障预警软 件实现对通风机的实时故障预警 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 系统的总体功能 通过在山西同煤集团四台矿的主通风机机房安装一套远程的监测预警系统 实现对通风机运行状态的监测和故障预警 具体要实现的功能如下 l 实时和集中 远程的监测各矿用主通风机的运行参数 电量参数和电机 保护等 2 实时直观的模拟显示通风机系统的运行状态 3 提供通风机的实时数据曲线 历史数据曲线 工况曲线等 4 具有故障预警功能 以保证通风机的安全正常运行 5 具有与企业局域网联网功能 方便领导和管理部门及时了解通风机的安 全运行状况 2 2 系统的构成及工作原理 通过对系统功能的分析 确定了系统的总体结构 即矿用主通风机远程监测 预警系统由系统硬件平台 系统软件平台和故障预警软件三大部分组成 系统的 三层结构框架如图2 1 所示 图2 i 系统的结构框架 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f t h es y s t e m 北京工业大学工学硕士学位论文 系统硬件平台包括数据采集系统 网络系统和操作员工作站三部分 数据采 集系统由d c s 现场设备及各种类型的传感器组成 实现对通风机各种监测参数 的采集 网络系统由交换机和路由器构建工业以太网络 实现对通风机监测参数 的远程传输和操作 操作员工作站即i p c 6 1 0 工控机 布置于现场和远程监控中 心 实现人机界面功能 系统软件平台采用组态软件开发 运行于现场和远程监 测中心的i p c 6 1 0 工控机 实现对通风机的运行仿真 分析曲线 实时报警等监 测功能 故障预警软件采用v c 6 0 开发 运行于软件平台之上 实时获取软 件平台上的数据 利用信息融合技术 对多路信号进行融合故障分析 为操作员 提供结论性诊断 实现预警功能 2 3 系统方案的几个关键问题 2 3 1 数据的实时采集 数据的实时采集由数据采集系统完成 该部分是系统的数据源 能否实时 准确的采集信号关系到整个系统的可靠性 在通常情况 系统该部分功能由d c s 的模拟量i o 模块完成 通过对模拟量进行a d 变换 转换为数字信号 再进行 数据处理和远程传输 一般d c s 的模拟量 模块的采集频率为秒级 仅能满 足对通风机参数实时监测的要求 通过对通风机故障机理的深入研究 得出通风机的故障与振动信号的频率具 有确定的映射关系 因此采用振动信号的频谱进行故障诊断分析 即需要对采集 到的时域信号进行f f t 运算 得到信号的频域信号 根据信号分析原理 采集 信号时需要满足采样定理的要求 否则将丢失高频成分 造成信号失真 通过对 通j x l 机故障机理的深入研究 确定通风机故障的最高频率一般为达到1 0 倍左右 的风机基频 根据采样定理 采集频率则至少应满足3 5 倍被采集信号的最高频 率 因此为了得到故障特征频率 采集频率至少达到5 0 倍的风机基频 例如当 现场风机的转速为1 2 0 0 r p m 即基频为2 0 h z 所需的采集频率至少为l k h z 对 于这么高的采集频率 d c s 模拟量i o 模块是不能满足要求的 所以需要安装 高速采集卡来实现 通过上述分析 最终确定了信号采集系统的模型 如图2 2 所示 对于振动信号的采集通过在现场操作员工作站 i p c 6 1 0 工控机 安装 p c i l 7 1 0 高速采集卡来实现 这种采集卡可进行1 6 路单端输入和8 路差分输入 1 2 位分辨率 1 0 0 k s s 的采样速率 具有4 k 的f i f o 进行采集数据的临时存储 满足振动信号采集频率的要求 对于其他信号 包括温度 风速和负压 只对其 进行监测 通过d c s 模拟量i o 模块采集即可满足要求 第2 章系统总体设计 图2 2 采集系统的模型 f i g 2 2t h em o d u l eo f t h ec a p t u r es y s t e m 2 3 2 数据的远程传输 数据的远程传输由网络系统完成 网络的性能直接影响着数据远程传输的实 时性和可靠性 工业控制网络的发展经历了集中数字控制系统 现场总线控制系 统和工业以太网控制系统 集中数字控制系统采用串行通讯方式 传输速度和距 离都有限 现场总线控制系统采用数字信号取代4 2 0m a 的标准信号 设备和网 络都是专用的 开放性差 不利于与其他网络的互联 工业以太网技术凭借其传 输速率高 远程w e b 技术 成本低和全开放性数字网络广泛应用于工业控制网 络 因此该系统采用工业以太网交换机来构建网络系统 工业以太网交换机有普通电口交换机和光口交换机 电口交换机的传输介质 是超5 类非屏蔽双绞线 传输频率为1 0 0m h z 最大传输距离1 0 5m 而光口交 换机采用光缆作为传输介质 所谓光缆则是由一组光导纤维组成的用来传播光束 的 细小而柔韧的传输介质 与其它传输介质相比较 光缆的电磁绝缘性能好 信号衰变小 频带较宽 传输距离较大 光缆主要是在要求传输距离较长 布线 条件特殊的情况下用于主干网的连接 光缆通信由光发送机产生光束 将电信号 转变为光信号 再把光信号导入光纤 在光缆的另一端由光接收机接收光纤上传 输来的光信号 并将它转变成电信号 经解码后再处理 光缆的最大传输距离远 传输速度快b 2 l l 由于通风机机房与监测中心距离较远 利用普通的电口交换机信号衰减严 重 无法实现远程传输 所以在该系统中 采用的是1 0 0 m 的光口以太网交换机 选用多芯光缆作为传输介质 传输距离可达数十公里 有效的保证了数据的远程 传输 实现了监测中心对通风机的远程操作和管理 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 3 数据的通讯 数据流由现场传感器通过硬件平台传输给软件平台 最终到达故障预警软 件 在这个过程中 要实现数据的有效通讯 不仅要凭借高速可靠的系统网络 而且要依靠高效可靠的通讯规约的支持 标准m o d b u s 通讯规约已经是工业领域 全球最流行的协议 m o d b u s 协议最初由m o d i c o n 公司开发出来 在1 9 7 9 年末该公司成为施耐 德自动化 s c h n e i d e ra u t o m a t i o n 部门的一部分 此协议支持传统的r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 和以太网设备 许多工业设备 包括p l c d c s 智能仪表等 都在使用m o d b u s 协议作为他们之间的通讯标准 有了它 不同厂商生产的控制 设备可以连成工业网络 进行集中监控 当在网络上通信时 m o d b u s 协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地 址 识别按地址发来的消息 决定要产生何种行动 如果需要回应 控制器将生 成应答并使用m o d b u s 协议发送给询问方 m o d b u s 协议包括a s c i i r t u 串口 协议和t c p 网络协议 此协议并没有规定物理层 m o d b u s 协议规定了消息 数 据的结构 命令和就答的方式 数据通讯采用m a s e r s l a v e 方式 m a s t e r 端发出 数据请求消息 s l a v e 端接收到正确消息后就可以发送数据到m a s t e r 端以响应请 求 m a s t e r 端也可以直接发消息修改s l a v e 端的数据 实现双向读写 m o d b u s 协议需要对数据进行校验 因此 m o d b u s 协议的可靠性较好 i 该系统硬件平台与软件平台之间的通讯由组态软件安装m o d b u s t c p 网络 通讯协议的驱动程序实现 软件平台与故障预警软件之间的通讯由v c 6 0 开 发通信规约实现 2 3 4 信息融合技术在故障诊断中的应用研究 故障诊断的过程是一个从故障征兆集到故障集的映射过程 该映射关系是多 对多的映射 即被诊断设备的某一故障类型往往会引起多个故障征兆 某个故障 征兆又可能由多种故障类型所引发 1 5 因此 故障诊断从本质上讲 就是利用信 息融合技术 对多征兆信息进行融合识别的过程 应用于故障诊断的信息融合方 法目前已经研究发展了很多 其中人工神经网络与证据理论两种方法应用的较为 广泛 人工神经网络是8 0 年代中后期世界范围内迅速发展起来的人工智能领域的 一个重要分支 人工神经网络非常适合模拟非线性映射 而且不需要建立数学模 型 它能够通过自学习功能来获得非线性映射能力 并把这种能力分布地存储在 网络连接权值中 因此神经网络是一种符合故障诊断要求的信息融合手段 神经 第2 章系统总体设计 网络信息融合过程是从征兆空间提取各种征兆作为神经网络的输入 利用神经网 络的非线性映射功能 对网络输入的征兆信息进行融合识别 最后输出层输出识 别结果 神经网络的信息融合过程实现了从故障征兆集到故障集的映射 属于特 征融合中的特征输入一决策输出过程 证据理论是研究认识不确定性问题的另一种理论 常规的决策分析理论以概 率论和数理统计为基础 认为概率是由事件发生的频率完全决定 是纯客观的 而主观概率论片面强调人的判决作用 是纯主观的 证据理论认为 对于概率的 理解 不仅要强调证据的客观化而且要重视证据估计的主观性 证据理论是概率 论的推广 具有更严谨的推理过程 能够更加客观的反映事物的不确定性 证据 理论的信息融合过程是利用预先确定的合并规则和决策规则对已有的证据体进 行决策融合 证据理论的信息融合过程实现了证据的客观性与合并规则 决策规 则主观性的结合 属于决策融合中的决策输入一决策输出过程 综上所述 提出了神经网络与证据理论相结合的方法 该方法利用神经网络 进行局部信息融合 初步融合的结果作为证据理论的证据体 利用证据理论进行 最后的全局信息融合 实现对设备的故障预警 1 7 1 8 基于信息融合技术的故障 预警模型如图2 3 所示 图2 3 基于信息融合技术的故障预警模型 f i g 2 3t h ef a u l te a r l yw a r n i n gm o d u l eb a s e do ni n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g y 该模型首先将整个故障特征参数空间和整个故障空间分别分解为若干个子 参数空间和子故障空间 然后对每一个子参数空间和子故障空问设计一个神经网 络 各子神经网络完成各自的特征参数子空间和故障子空间的映射关系 这样就 解决了网络结构过大而带来的各种不利因素 这些子神经网络构成初步融合层 在初步融合过程中 每个神经网络分别得到各自初步融合结果 这些结果或许相 同 或许相差较大 然后 把每个子神经网络的初步融合结果看成证据理论的一 个证据体 利用证据理论进行全局融合 得到最终的融合结果1 1 9 1 2 北京工业大学工学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章根据系统所要实现的功能确定了系统的总体结构及工作原理 深入的分 析了系统在数据实时采集 数据远程传输和数据通讯等方面的关键技术问题 并 确定了这些问题的详细解决方案 最后深入探讨了信息融合技术在故障诊断中的 应用 给出了基于信息融合技术的故障预警模型 该模型采用神经网络与证据理 论相结合的方法 可以实现多路信号由特征到结论的融合故障诊断 第3 章系统硬件平台设计 3 1 系统的网络设计 根据系统的总体设计 系统采用基于工业以太网技术的网络系统 下面详细 介绍工业以太网技术并给出系统的网络拓扑图 及网络设备交换机和路由器的选 择和配置 3 1 1 工业以太网技术 以太网从其发明之日起就是一种总线网络 其逻辑拓扑结构 从其功能上 讲 是一条总线 但因其实际网络布线方式的不同 可以构成星形 总线形和环 形等不同的物理拓扑结构 在办公自动化网络系统中 一般对于可靠性没有特别 的要求 同时为了网络管理和布线的方便 多采用星形的网络结构 在工业自动 化网络中 由于目前的大型控制系统大多为分布式系统 因此多采用总线结构 或环形结构 为了进一步提高网络的可靠性 可以采用双星形 双总线或双环网 络结构实现网络冗余 下面详细论述各种网络拓扑结构的优缺点 2 1 口2 1 星形网络的网络拓扑图如图3 一l 所示 这种网络结构的优点是布线简单 管 理方便 交换速度快 网络结构的缺点是没有冗余 且中央交换机风险过于集 中 而且该网络成本低 无冗余切换时间 图3 1 星形网络 f i g 3 1s t a rn e t w o r k 图3 2 环形网络 f i g 3 2r i n gn e t w o r k 环形网络的网络拓扑图如图3 2 所示 这种网络结构的优点是分布式网络 允许光纤出现一处断点 发生链路故障时 网络自动在3 0 0 m s 之内切换到总线 网络结构的缺点是这种网络属于简单冗余 当某一台交换机发生故障时 会导 致单点网络故障 这种网络系统的成本最低 冗余切换时间为m s 级 北京工业大学工学硕士学位论文 环形网络有时采用双环形冗余网络结构 这种网络结构的优点是冗余网络 允许交换机 二处光纤 网线 网卡 4 种故障 这种结构是常用的高级工业冗 余网络系统 网络结构的缺点是布线相对复杂 网络光缆为双份 投资相对增加 这种网络的成本略高 链路故障恢复为3 0 0 m s 其他故障取决于软件 3 1 2 系统网络拓扑图 根据上述三种网络结构的优缺点比较 选择环形网络拓扑结构 即可以满足 系统的要求 根据现场的实际情况 环形网络系统共需要1 1 台工业以太网交换 机构建 这些交换机分别分布在监测中心 大型队办公室 风井区办公室 机运 区办公室 前窑风机机房 马家村风机柳房 后所沟风机机房 黄土坡风机机房 二台村风机机房 立井绞车房 斜井绞车房 这1 1 处监测点中 监测中心和办 公室用于远程监测和管理 前窑风机机房用于现场监测和管理 其他地点用于其 他设备的监测和管理 为了实现矿领导通过矿本地局域网 1 9 2 1 6 8 网段 内对监测环网 1 0 1 网 段 的访问 在监测中心安装带有路由功能的防火墙 以实现网外用户对网内数 据的访问 并可以设置用户访问权限 整个系统网络的拓扑图如图3 3 所示 图3 3 系统网络拓扑图 f i g 3 3t o p o l o g i c a lg r a p ho f t h en e t w o r ks y s t e m 3 1 3 交换机的选择与配置 交换机是工作在o s i 参考模型第二层 数据链路层的数据转发设备 工业 以太网交换机 作为工业以太网的核心设备 其实质与传统意义的交换机一样 6 第3 章系统硬件平台设计 是一种数据链路层设备 它通过硬件完殷以往网桥使用软件来完成的过滤 学习 和转发过程 能有效地提高网络