主扇在线监测与故障预警系统的开发可行性研究报告Word下载.docx

主扇在线监测与故障预警系统的开发可行性研究报告Word下载.docx

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主扇设备一方面为矿井的通风安全提供保障，另一方面，由于24小时不间断运行，它们也是耗能大户，如何使这些主扇能够安全、高效、经济运行，是确保矿井安全和提高经济效益的重要环节。

为此，大同煤矿集团一直致力于寻求对该类设备运行高新技术手段，实现主扇的安全可靠运行，同时不断提高其运行效率，减少浪费，提高矿井的防灾能力和经济效益。

本项目就是综合运用故障诊断技术、新型传感技术、数据融合技术等方法，分析主扇运行参数变化和可能出现的故障，形成故障与运行参数变化的对应关系，运用现代软件编程技术实现对主扇运行状态的在线监测和故障预警功能，确保主扇的安全、高效、经济运行。

2．目的与意义

煤矿主扇承担着矿井的通风的重要任务，是保证矿井安全和生产最重要的装备和环节。

一方面，由于它们分布在矿区的偏远区域，安全和生产管理一直处于相对松散的状态；

另一方面，由于对于这些设备的运行监控还是停留在简单的人工看表，定时记录的方式上，技术手段相对落后。

难以对主扇进行更加科学有效的管理。

从全国范围来看，主扇的事故事有发生，风机断轴、风叶扫膛等事故并不鲜见，这些涉及主扇安全运行的隐患，严重地威胁着矿井和职工的生命安全。

尤其在当前煤矿事故屡屡发生，引起国务院、安全监察局和社会高度重视与关注的今天，更是迫在眉睫。

与此同时管理现代化飞速发展的情况下，对煤矿机电管理相对薄弱的环节----主扇通过运用现代计算机技术、网络通讯技术和信息处理技术进行科学有效的管理，实现主扇的主动检修和故障预报警功能，保障主扇24小时安全可靠、高效经济运行，从而提升机电安全管理水平，从安全就是效益来说，本项目既具有显著的社会效益，又具有较大经济效益。

3．主扇状态监测与故障预警的国内外概况

由于发达国家计算机技术的发展和煤矿现代化进程要比我国早的多，所以在七、八十年代它们就开发了适合煤矿环境参数监测的软件，实现了计算机对煤矿环境安全参数的监测。

特别是美国和澳大利亚自20世纪80年代以来,他们在井下工作面采用计算机（技术）控制的大功率电牵引采煤机、电液控制的液压支架和具有软启动功能的刮板输送机。

而在主煤流运输、矿井供电系统、通风、排水系统、矿井提升系统等方面,均采用计算机（技术）实现工况监测、故障诊断与自动控制,对井下环境安全的各种信息进行实时监测。

而这些生产、安全、地理和设备的信息通过网络（通信线路）实时传送到地面调度中心,使得煤矿的安全、生产管理决策更便于优化生产。

为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐,2O世纪8O年代中期，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统,如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TFO200系统、法国的CTTO63/40/μ系统、加拿大森透里昂系统。

这些系统为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴，使国内在引进、消化、吸收的同时，同时结合国内煤矿的实际情况，我国也开始研究煤矿井下安全生产监控系统，推出A1,A2等系统。

从1993年我国共研制出30多种型号的矿井监控系统，到2000年我国统配煤矿共装备安全生产监控系统共有30几种型号近300套。

它们的主要功能是监测矿井瓦斯、风速（瓦斯超限后自动切断电源）等等。

与此同时，我国煤矿各种功能单一的监控系统也得到了发展，例如电力监测系统、轨道运输信集闭系统、胶带机集中控制系统、矿井通风机监控系统、工作面综合监测系统、矿山电网综合自动化系统、井下人员自动跟踪系统、顶板离层和巷道变形监测系统等等。

上述系统为保障矿山生产、人员的安全、正常生产和减人提效起到了重要作用。

这些煤矿安全监测系统，作为各局、矿的一项重大安全装备在煤矿中大量推广使用，为安全生产和管理起到了十分重要的作用。

但上述系统均是综合型监测系统,侧重于对矿井内安全参数的检测和控制上。

总的来说，从煤矿的安全监测状况来看，对于煤矿的安全监测对象，人们大多集中于对瓦斯等有害气体的监测，往往忽视了作为煤矿重要装备的设备状态检测特别是设备的故障预警上，因而，尽管大家都知道设备的安全运行在安全和生产中的重要性，但由于瓦斯治理显得特别重要而往往顾此而失彼，没有将更多将精力运用于对于设备的安全运行监测上，使得设备的安全运行监测现状大大落后于时代的步伐。

如国内开发的大量而广泛应用的所谓煤矿综合监测系统都集中于对矿井有害气体等的监测，还没有一套专门针对矿用主扇安全运行状态与故障预警进行实时远程监控的系统。

本项目由大同煤矿集团有限责任公司主持并牵头，北京工业大学组织实施。

大同煤矿集团公司负责项目的组织、实施和研究，包括现场观测、试验、提出研究报告，提供全部资金等。

北京工业大学负责主扇运行在线监测与故障预警系统的研究、设计与开发。

4、前期科研工作情况、现有基础和条件（已做的工作和具备的科研条件）

北京工业大学是国家“211工程”重点建设高校，现有教职工3226人，其中专任教师1524人。

教师中有两院院士6人，博士生导师220人，正高级职称人员315人。

北京工业大学有较强的科研力量、丰富的人才资源和多学科综合优势。

特别是拥有一支熟悉工业现场实际，曾长期工作在工业企业一线的工程技术人员加入到学校的教师队伍中，形成了多个既拥有工程背景，熟悉现场实际又具有扎实的理论研究基础的研究开发团队。

该项目的承担者就是长期在煤矿从事机电技术工作的技术人员，既熟悉煤矿的设备和煤矿实际又具有坚实的理论研究基础。

强大的研究团队为项目的顺利完成奠定了人才基础。

近年来，学校完成科研成果1000多项，每年申请到国家级、省部级、863、973等科研项目150多项，到校科研经费逐年大幅度增长，去年科研到校经费2亿多万元，在北京市各高校中位居前列。

近年来承担过多项设备状态监测与故障诊断的科研和工程技术项目，如：

武钢设备监测远程诊断系统、数控机床振动自检系统、高线精轧机组齿轮箱在线监测系统、印刷机械配套监测仪器系列研究、运载火箭总装试验检测及过程监控技术研究、高线粗轧立式轧机主传动减速机在线监测及故障诊断系统、基于制造业网络化智能监控服务系统关键技术研究、矿用大型设备远程监测预警系统等。

学校一直致力于科技成果的应用性转化工作。

许多科技成果应用于生产实际，取得了良好的社会效益和经济效益。

这些实际项目的完成为本项目的顺利进行积累了丰富的实际经验。

学校除拥有一大批科研人员，还拥有良好的研究和开发条件，在状态监测和故障诊断方面，具有大量国际国内先进的实验研究装备和软件系统，如旋转机械故障诊断试验平台、美国艾默生状态监测与诊断系统、LMS集成振动噪声试验方案、油液检测仪、FLUKE红外热成像系统、高速数据采集系统、PMS2000预知维修与故障诊断系统、动态信号分析仪、转子振动模拟试验台、RT9240往复机械诊断仪、十六通道噪声振动分析仪、InTouch组态软件、Kingview组态软件、GlyphXE数据分析软件等。

这些实验研究条件为完成项目的研究与开发奠定了良好的硬件基础。

北京工业大学的相关研究团队已经完成了矿用大型设备的远程检测系统，搭建了检测系统的硬件平台，为本项目的完成积累了研究和开发的人才和硬件基础。

5、科研项目目标

主要研究内容：

1.构建可靠的数据采集系统。

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，采用全球最流行的Modbus协议标准。

2．建立系统的硬件平台与软件平台。

系统的软硬件平台由组态软件安装Modbus-TCP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用VC++6.0自行开发的通信规约实现。

在工业控制软件中，组态软件能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画方式显示设备的运行状态，而且具有报警窗口，实时趋势曲线，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发，方便地生成各种报表，为应用程序的开发提供了十分方便的软件平台。

而组态王正是这类工业自动化通用组态软件。

3.设计基于数据融合技术、现代故障诊断技术的主扇故障预警方法。

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。

因此，利用数据融合技术对多征兆信息进行融合识别，从而实现对故障的诊断。

目前，对于数据融合技术的研究发展很快，从最初的军事、气象已逐步发展到了众多领域，但对于主扇的故障诊断还未见诸报道。

为了实现对主扇的故障预警，本项目采用相对成熟的数据融合方法----人工神经网络与证据理论来实现两层数据融合。

为了实现对故障的有效预警，除了利用数据融合的方法对可能产生的故障进行预警外，还通过对测得的各运行参数设置预警值，预警值的设置采用两种设置方法，一方面，达到国家或行业标准时进行报警，另一方面，以实际测得的量为依据，将日常测得的量值作为数据库文件保存，如果即时测得的数值明显不同于日常工作时的量值（具体的明显程度根据不同参数和实际运行过程来确定）也进行预警。

由这三方面的预报警就可有效地实现对主扇的监测和预警功能。

4.实现对主扇运行工况的实时分析。

通过实时监测主扇运行过程的风速、风量以及风压，结合主扇的运行曲线和风阻曲线，通过数据分析确定主扇的运行工况并实时显示，为实现主扇的高效运行提供依据。

5.利用VC++6.0开发主扇故障预警软件。

故障预警软件利用VC++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。

通过对主扇故障机理的深入研究，得出主扇的故障与振动信号的频率具有确定的映射关系，而且频率的反应具有超前性。

所以该软件通过对振动信号的分析，利用基于数据融合技术的故障预警方法对多路信号进行融合故障诊断，为操作员提供结论性诊断，实现预警功能。

研究方法：

本项目采用现场调研、论证、理论分析和试验研究、软件编程、现场调试、工业性试验多环节、环环相扣，理论与实践相结合的研究方法。

在对主扇设备结构、性能和运行状况理论分析的基础上，充分利用为企业进行着研究项目的机会和有利条件，通过现场实时采集主扇4个轴瓦上的振动信号和温度信号：

一方面，运用人工神经网络与证据理论进行信息融合，实现故障的预警；

另一方面，运用采集到的数据，通过建立历史数据库，对主扇的运行历史进行分析，由历史数据总结出预警的阈值并预测故障趋势，以此作为预警依据。

通过进行大量的现场实验研究，对实验数据整理分析，最终确定出监测预警方法。

技术路线：

1）分析矿用主扇的运行状况，结构、性能、各种工作参数等，掌握主扇可能的故障类型；

2）根据运行过程的实际情况，通过选择测量参数（振动和温度）和测试点（在4个轴瓦上），优化传感器的布局；

3）根据故障预警快速性和准确性的要求，利用有用信息之间的相关性，消除干扰及不确定性．通过所获得的多信息源和多方位的信息，利用人工神经网络和证据理论对各轴瓦的振动信号和温度信号进行信息融合；

4）建立主扇运行的历史数据库，并根据历史数据衍生出主扇故障预警的阈值并预测故障趋势；

5）在现场通过采集到的相关参数，进行实验研究，修正算法，确定出矿用主扇的监测预警方法。

试验方法：

1）利用北京工业大学已有的旋转机械故障诊断试验台，对故障预警系统进行实验研究，使系统功能准确可靠；

2）对研制的主扇监测预警系统应用于工业现场的主扇上，进行为期一个月的工业性实验，并密切关注，对实验过程进行及时记录，做到准确无误，使监测预警系统更加适应工业现场的实际。

实现的目标：

本项目主要是保证主扇的安全运行，使设备的故障处理在未发生之前，实现设备的无故障运行。

本项目的另一个作用是为主扇的经济运行提供技术资料和决策依据。

通过本系统对主扇运行工况的监测，可以指导调节工况在高效、经济区域运行，实现节约电能的目的。

同时，本项目的实施，实现了主动检修和预防性检修的良好结合，因此可避免盲目检修所造成的人力和财力浪费。

本项目在实际应用上可以更为准确可靠地预测主扇的故障，实现主扇的预防性检修维护，为矿井和职工安全提供保障。

6、技术金费预算（分析）

费用名称

金额（万元）

经费

总概算

设计开发费用

5．00

生产费用

20．00

运输调试费用

1．00

售后服务费用

3．00

合计

29．00

7、实施方法及进度安排

工程项目

日期

30

60

90

120

150

180

210

240

270

监测与诊断系统的开发

故障预警系统的理论研究

故障预警系统的实验研究

日期

监控柜等硬件系统构建

实验室调试试验

性能检验验收

包装发货

现场安装调试

工业性试验

验收运行

8、经济社会效益

经济效益

社会效益

该项科研成果最大的作用就在于确保了主扇的安全运行，消除了过去松散性管理所存在的不安全因素；

规范了工人的操作行为，大大提高了设备运行的平稳性和安全性；

实现了故障预警和报警功能，及时消除了主扇可能产生的故障，从而提高了矿井的安全性；

通过分析设备的报警和各参数的历史曲线就可以为检修目的提供依据，实现了主动检修和预防性检修的良好结合，在提高安全性的同时避免了盲目检修所造成的人力和财力浪费。

本系统的使用大大地提高了对主扇的管理水平和管理力度，实际上提高了矿井的安全性。

9、项目风险性分析及对策

北京工业大学对该项目的研究思路清楚，研究方法确当，技术路线清晰可行，特别是有坚实的研究基础而且技术成熟可靠，能够确保项目的顺利完成，可以说项目的收益高、风险很低。

资金风险

大同煤矿集团有限责任公司与北京工业大学均有较强的经济实力和研究实力，即使有资金流动不便情况，凭借较高的银行信誉，通过商业贷款亦可保证此项目顺利进行。

技术风险

本项目由于不对原设备进行任何形式的改动，只是通过安装一些传感器采集设备的运行信号，再对这些信号进行分析处理，因此，不会对原设备产生任何影响，因而，不存在构成威胁；

本项目所采取的技术方法是成熟的技术，而且有坚实的相关研究基础作支撑，因而确保项目在技术上完全可以实现。