風機在線監測系統 設 計 方 案 XXXXXXX 有限公司 一、 系統設計參照標準 本系統設計依據煤礦風井主扇風機現場實際情況制定； 振動狀態監測部分參照 GB/T 19873.1-2005/ISO 13373-1:2002機器狀態監測與診斷 振動狀態監測； 有關電氣裝置的實施參照 GB50255-96電氣裝置安裝工程施工及驗收規范； 有關自動化儀表實施參照 GB50093-2002自動化儀表工程施工及驗收規范及 DLJ 279-90電力建設施工及驗收技術規范（熱工儀表及控制裝置篇 ）； 風機性能測試滿足 GB/T1236-2000工業通風機用標準化風道進行性能試驗和 MT421(煤炭行業標準 )“煤礦用主通風機現場性能參數測定方法 “。 二、系統設計的主要內容 2 1 系統概況 根據煤礦企業的生產特點，風井兩臺主扇風機是全礦生產中的特大型重要負荷關鍵設備。它的正常運行是礦井得以連續安全生產的最根本保證。主通風機經常由于超負荷運轉、設備累計運行時間過長和安裝質量等問題而發生很多故障，風機系統在運行中存在著多種故障 ,它們是隱性的 ,不可預測的，對生產存在嚴重的威脅。這些存在的故障隱患 ,嚴重影響到 全礦運行的經濟性和安全性。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的 風機在線故障監控系統 充分利用傳感器檢測 ,信號處理 ,計算機技術 ,數據通訊技術和風機的有關技術 , 全面地對礦井總回風中的風壓（負壓、靜壓、動壓、全壓及其效率）、風速、風量、瓦斯濃度、出口氣體溫度、主通風機前后軸承溫度、運行狀態、正反轉狀態、電機定子溫度和軸承溫度等通 風機性能參數 ，主通風機設備振動位移、速度、加速度、振動主頻、頻率分量及其烈度等 振動參數 ，電機三相電壓、電流、有功無功電度、有功無功功率、總有功功率、總無功功率視在功率、功率因數 、頻率等 電量參數 進行實時在線監測，在機組的運行過程中 ,判別機組性能劣化趨勢 ,使運行 ,維護 ,管理人員心中有數。系統具有數據窗口顯示和存儲報表打印、趨勢曲線顯示、越限聲光報警和歷史報警摘要顯示查詢、工況點合理范圍分析、風產分析、設備故障診斷和手自動控制、報警閥值設定、用戶及權限管理、操作記錄、日志查詢、在線聯機幫助、風機房視頻監控和數據遠距離傳輸等豐富功能。通過本系統的實施 ,使煤礦風井主扇風機的狀態監測診斷的水平達到國內領先水平 。 實施本項目的意義在于 :1）避免風機機組在運行過程中發生重大事故而造成的重大 生產安全事故 ,并避免以此而產生的巨大經濟損失 ,保證設備在規定的時間內無故障安全可靠的運行。 2）向運行人員提供及時的信息 ,有效地支援運行 ,提高設備使用的合理性 ,運行的安全性和經濟性 ,充分挖掘設備的潛力 ,延長設備的使用壽命 3）通過本項目的實施達到設備的有效維修 ,降低設備的維修成本 ,提高設備的使用效率 ,改善產品的質量 ,增加產量 ,減少同類事故的發生 . 2 2 系統測點統計 根據煤礦企業現場的實際情況以及風機在線監測系統所必需測量物理量的要求，必須監測以下各量（兩臺風機）： 序號 測點名稱 測點數量 備注 1 負壓 2 2 靜壓 2 3 動壓 2 4 風速 2 5 全壓 2 全壓 =靜壓 +動壓 6 風量 2 通過風壓和風速換算 7 瓦斯濃度 2 8 有功功率 2 功率因數根據有功功率和總功率計算 9 電機軸承溫度 8 10 定子繞組溫度 8 11 風機振幅 4 通過振動專用數據采集器采集 12 I、 II 段母線電壓 2 13 I、 II 回路電流 2 14 風機 1、 2 級電機電流、反轉電流 6 15 正反轉、停止信號 6 開關量 16 電機轉速 4 17 電機功率、風機耗電量 8 通過電壓、電流、運行時間換算 表 1 測點統計表 2 3 振動監測和風機在線監測融合為一體的新型風機在線監測系統 從煤礦風機監測的實際情況來看，除了需要監測風機的工藝參量如風量、風壓、電機電流等外，還需要監測風機的振動情況。也就是說要從風機的振動和工藝參量的復合角度來判斷風機的運行性能好壞。 振動參量的采集一般要求同步整周期采集和自動跟蹤濾波。所謂同步整周期采集是指以鍵相位信號為基準實現多通道的同步采樣，采樣速率受控于機組轉速，每周期（轉）采集的數據樣本長度相同，每次采集的周期數相同，瞬態與非穩態數據 自動采集。自動跟蹤濾波包括跟蹤抗混濾波和跟蹤數字矢量濾波，前者采用特殊設計的八階橢圓低通濾波器，后者以數字處理技術為核心，實現以機組轉速為中心頻率的帶通濾波功能。 另外，振動參量包括三個要素：振幅、頻率和相位，三者缺一不可。綜合上述振動參量的特點，一般不用 PLC 直接采集振動快變量，而是采用專業的振動數據高速采集器采集。由專業的振動采集器（如 MF100）采集到的數據不僅有當前的振動 p-p 值而且有相應時刻的波形數據和頻率特征，而這正是煤礦風機在線監測所必需的數據。 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的新型煤 礦風機在線監測系統從風機振動的專業角度結合 PLC 采集到的工藝參量來組合分析風機的工作狀況，從而使得我們對于風機工作狀況的把握更加準確和可靠。 振動數據采集器采集到的數據和西門子 s7-300PLC 采集到的數據采用ODBC(Open Database Connectivity，開放數據庫互連 )方式相互共享。通過 ODBC，在線監測系統的數據服務器與上位機可以互換數據，并由上位機實時動態寫入PLC 中。 下面是風機在線監測系統的拓補圖。 圖 1 風機在線監測系 統拓補圖 2 4 煤礦風機在線監測系統硬件配置 根據以上測點分析和系統拓補圖情況，給出以下的系統硬件配置清單。下面的配置清單沒有列出系統施工所用的屏蔽電纜線、配柜所用的銅塑線以及操作座椅等內容。 序號 名稱 型號 數量 廠家 備注 1 機柜 1 2 工控機 研祥 1 研祥 3 CPU 模塊 CPU224 1 西門子 4 數字量輸入模塊 EM221 1 西門子 5 數字量輸出模塊 EM222 1 西門子 6 模擬量輸入 /出模塊 EM235 1 西門子 7 MMC 存儲卡 64K 1 西門子 8 電量采集裝置 9033E 4 力創 9 溫度采集模塊 9017T-D 5 力創 10 壓力變送器 JYB-KO 4 昆侖 11 振動變送器 YB40 4 中泰 12 瓦斯濃度傳感器 GJ4/40 1 安瑞特 上位機 1 1#風機 振動數據采集器 Bently3500 2#風機 S7-300 雙 PLC 交換機 服務器 上位機 2 各種工藝信號 振動信號 13 CO 濃度傳感 GTH500 1 安瑞特 14 風門開閉傳感器 GTK 1 安瑞特 15 電機開停傳感器 GKTS 1 安瑞特 16 安裝導軌 1 西門子 17 20 針前連接器 2 西門子 18 40 針前連接器 5 西門子 19 BM2*4 模塊 4 西門子 20 總線連接器 4 西門子 21 觸摸屏 11.4 1 威綸 22 通訊電纜 1 西門子 23 PLC 配置附件 1 西門子 24 斷路器 C65N/2P C10 3 施耐德 25 斷路器 C65N/3P C6 3 施耐德 26 斷路器 C65N/1P C3 2 施耐德 27 開關電源 DRP-120-24 2 28 開關電源 DRP-75-24 1 29 隔離模塊 HGC- 20 30 中間繼 電器 MY4NJ 16 表 2 系統硬件配置清單 三系統基本功能 由于本系統集合了 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 的振動在線監測和風機工藝參數在線監測的雙重優點，因此在系統特點上也融合了二者的特長，具有全新的監測畫面和特點。 3.1 監測預報 風機在線監測系統中的振動監測系統以獲得國家科技進步獎的矢譜技術為核心組成分析系統，功能配置突出實用、有效、強大，系統組合分析方法近 30種，除具備完善的穩態分析、瞬態分析外，還增加了非穩態過程分析和振動與工藝參數相關分析， 以可視化主動數據驅動技術進行數據快 速查詢，對所有被監測機組在不同時刻、不同狀態下的動態信號快速、準確地進行各種信號分析和數據處理，以簡潔、直觀、信息量豐富非圖譜表達出來，并將其數據值信號特征傳遞至故障診斷專家系統。 新的風機在線監測系統除提供常規的信號分析功能外，還將目前獨有的雙通道數據融合技術應用到工程實際中，其中包括矢量譜分析、進動譜分析、二維矢功率譜分析等，另外，還提供短時 Fourier 分析、小波分析、 Wigner 分布等時頻分析方法。 振動模塊主要分析方法 常規分析方法類 時間波形、軸心軌跡、提純軸心軌跡、頻譜圖、振動矢量區域分析、統 計特性分析、倒頻譜分析、細化譜分析、相位譜分析、特征譜分析、自相關、互相關分析、相干分析等 數據融合分析 矢譜分析、矢功率譜分析、進動譜分析、全信息分析、軸心位置（穩態） 瞬態過程分析 波德圖、極坐標圖、三維頻譜圖、軸心位置（瞬態）、坎貝爾圖 通過對新風井主扇風機振動信號和工藝信號的在線監測，使您的設備歷史運行狀態全掌握；豐富的波形和頻譜棒圖等顯示方式，使您能夠清晰地判斷設備的運行狀態。不但可以在設備失效前及時檢測捕捉到故障信息對設備進行保護而且對設備運行趨勢進行管理，為設備的維修提供依據。最大限度地保證風 機的安全有效經濟運行從而保證各種工藝目的參數達到安全要求。 3.2 調度室監測顯示 1) 主界面 圖 2 調度室主控界面 本界面中按照現場分布實際情況設置，上部為 2#風機，下部為 1#風機。正在運行的風機顯示為綠色，停止的風機顯示灰色，顯示切換不需要人為干預。但在風機切換過程中，可能存在切換狀態，切換完成后，顯示即刻正常。系統在主界面中顯示各個測點的實時參數，包括 1電機的溫度、 1#電機的連軸溫度、 1電機的壓力、 1電機的風量、 1#電機的振動值等； 2電機的溫度、 2#電機的連軸溫度、 2電機的壓力、 2電機的風量、 2#電機的振動值等；如有溫度超出安全值或壓力低于安全值，都會有報警信息在監控界面出現，并且界面中有閃爍紅燈出現。故障消除后，報警信息消失。當點擊 按鈕時彈出振動監測分析的界面，如下所示： 圖 3 振動監測界面 2）趨勢分析 系統能按年、月、日、小時等方式顯示一個或多個測點的歷史數據趨勢曲線，根據標準值的限定范圍實現趨勢分析，并結合標準信息提供設備檢修指導。 在圖 4 中可以看到變量參數的曲線走向，每分鐘記錄歸檔一次，并且可 以自由選擇日期時間查看歸檔信息，根據需要打印報表。在工具欄中有下列功能菜單：振動監測 第一條數據記錄，前一條數據記錄，后一條數據記錄，最后一條數據記錄，啟動停止，標尺，縮放，趨勢開關，時間范圍選擇等。 圖 4 參數變化趨勢圖 1 按下 曲線開關按鈕，顯示如下圖 5，可以自由選擇不同的變量，并選擇某個變量的曲線是可見還是不可見的。按下 標尺按鈕，在曲線圖下面會出現一個表格，表格里面是變量和日期等。 圖 5 參數變化趨勢圖 2 按下 時間范圍選擇按鈕，顯示如下圖 6，可以對不同的變量選擇不同的時間，就會出現它對應的 歷史曲線。 圖 6 參數變化趨勢圖 3 1#溫度歷史曲線， 1壓力歷史曲線， 2#溫度歷史曲線， 2壓力歷史曲線，這 4 個界面操作是類似的，僅數據內容不同。 3）數據儲存和管理 風壓、風量、風速、電量、風機及電機的各種溫度、風機的振動等各種監測參數實現定時存儲，數據能保存 一至兩年甚至更長時間。風機性能參數每小時記錄一次；故障參數每分鐘記錄一次，可以很方便地進行查詢。同時，也便于管理部門（如通風科、調度室等）分析有關數據，強化通風機的管理。實時趨勢顯示：系統能按年、月、日、時、分、秒等時間格式實時顯示本系統中溫度、瓦斯濃度、壓力、風速、風量、振動位移等參數的趨勢曲線，并可以無級放大縮小顯示，自定義參數范圍、打印曲線等；歷史趨勢顯示：系統能按年、月、日、時、分、秒等時間格式顯示本系統中溫度、瓦斯濃度、壓力、風速、風量、振動位移等參數的歷史存檔數據并繪制趨勢曲線，同時可以無級放大 縮小顯示，自定義參數范圍、打印曲線等。 在溫度變量記錄界面下顯示電機的溫度參數，如圖 7。每分鐘記錄歸檔一次，并且可以自由選擇日期時間查看歸檔信息，根據需要打印不同格式的報表。工具欄中的功能如下（從左至右）， First Data Record(第一條數據記錄 )， Previous data record(前一條數據記錄 )， Next data record(下一條記錄 )， Last data record（最后一條數據記錄）， Start/Stop(開始 /停止更新 )。選擇列，選擇時間范圍等。 圖 7 溫度記 用鼠標的左鍵單擊時鐘的圖標 ，將會出現如下的界面圖 8，對變量歸檔進行時間范圍的選擇。 圖 8 時間選擇界面 溫度變量記錄的界面和壓力變量記錄的界面是一樣的，只是顯示的數據內容不同而已。 4）報警記錄和用戶管理 報警記錄界面中顯示報警的信息，有長期報警，短期報警，打印，排序，激活等。報警列表中包含有日期 、時間、編號、持續時間和報警消息等。報警消息進入為紅色，離開為綠色，確認為藍色，如圖 9。 對系統中重要過程參數如風速、風量、溫度、瓦斯濃度、振動位移等實現在線設定其報警閥值（高高限、高限、低限、低低限），并立即生效。 對于使用本系統的用戶進行分級管理，按照權限由小到大依次分為監視員、操作員和系統工程師三種級別。每種級別的用戶分別賦予不同的權限，具有最高權限的工程師級別的用戶還可以添加、刪除和修改系統中的用戶。 操作日志及查詢 :對于用戶在使用本系統中的一些重要操作如修改報警現值、添加和修改用戶、報警確 認和關閉系統等，都生成操作記錄并保存，用戶可以隨時查閱操作記錄并打印。 圖 9 報警記錄界面 四、系統特點 4.1 高可靠性 設計上充分考慮系統的電磁抗干擾能力，既要保證系統本身不受現有系統和電源的干擾，也要保證本項目不會干擾已有系統的運行，系統外的信號接入系統時，都采用信號隔離模塊進行隔離。 采用低功耗、散熱好的硬件設備，散熱系統設計合理。 嚴格的器件選型：系統的所有硬件器件都選用國內外知名品牌。 嚴格的系統測試，數據采集站要經過高低溫試驗、濕度試驗、電磁兼容性試驗；系統軟件要經過功能測試、 容量測試、異常測試等。 4.2 實用、易操作性 功能設計全面實用，界面設計專業、友好，讓用戶全面了解各種監測信息。 以專業設計的簡捷流程實現復雜的功能，最大限度地減少用戶學習操作的時間。 4.3 監測信息全面 監測指標包括：各類開關量，振動量，性能參數，如電量、負壓、風量、瓦斯濃度、溫度量、風機效率等。 可根據用戶需求