基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井主排水設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及壽命管理系統(tǒng)的開發(fā).pdf

1、本文是山西省科技重大專項(xiàng)“基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦重大生產(chǎn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及全壽命周期管理系統(tǒng)開發(fā)（No：20131101029）”的重要子課題之一，也是橫向課題晉煤集團(tuán)科技攻關(guān)項(xiàng)目“礦井主排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)（No.20100819-2）”的繼承和延續(xù)。本文主要針對(duì)目前我國礦井主排水設(shè)備自動(dòng)化程度不高，主排水泵磨損故障頻發(fā)、無法給出系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)等問題而提出的。
　　礦井主排水設(shè)備是煤礦安全排水的重要保障，其運(yùn)行健康狀態(tài)直接影響煤礦井

2、下的安全生產(chǎn)。目前，我國大多數(shù)礦井的主排水設(shè)備自動(dòng)化程度不高，主要依賴于人工操作完成井下排水任務(wù)。而且井下工況環(huán)境惡劣，礦井主排水設(shè)備輸送流體介質(zhì)復(fù)雜，其中含有大量物理和化學(xué)磨損因子，導(dǎo)致礦井主排水泵易出現(xiàn)葉輪磨損等故障，嚴(yán)重威脅井下排水工作的正常進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前各個(gè)行業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，我國也推出了大量的政策扶持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。煤礦作為我國能源的支柱行業(yè)也順時(shí)而動(dòng)，大范圍的應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決煤礦安全生產(chǎn)等問題。因此，

3、應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井主排水設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)早期礦井主排水泵機(jī)械磨損，對(duì)潛在的礦井主排水泵失效故障進(jìn)行診斷、預(yù)警，并綜合評(píng)定其剩余壽命，為設(shè)備的維修和更換提供合理建議，最大程度降低礦井主排水設(shè)備維修成本，提高煤礦井下排水系統(tǒng)的可靠性和安全性，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文深入分析了目前我國煤礦物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r及研究動(dòng)態(tài)，總結(jié)了我國煤礦物聯(lián)網(wǎng)研究的最新成果，同時(shí)也指出了我國煤礦物聯(lián)網(wǎng)存在的不足，即偏重于煤礦

4、物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)絡(luò)層”的研究，忽略煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)情況，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)“感知層”和“應(yīng)用層”的研究發(fā)展緩慢?；谏鲜銮闆r，本文提出了我國煤礦物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)下發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)在全面感知設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有煤礦井下有線環(huán)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合做到數(shù)據(jù)可靠傳輸，深入挖掘全礦山人員、設(shè)備、環(huán)境等大數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)和效益最優(yōu)化。
　　基于上述思想，本文根據(jù)煤礦井下主排水設(shè)備排水工藝流程，設(shè)計(jì)了基于PLC的礦井主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)，并根據(jù)礦井主排水設(shè)備

5、故障特征，布置了礦井主排水設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)“感知層”；在井下以太環(huán)網(wǎng)的架構(gòu)上設(shè)計(jì)了基于OPC的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可靠傳輸；設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和MATLAB的上位機(jī)應(yīng)用軟件，搭建物聯(lián)網(wǎng)“應(yīng)用層”平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面感知礦井主排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，為后續(xù)的礦井主排水設(shè)備壽命管理打下基礎(chǔ)。
　　提出了基于離心泵特性曲線的礦井主排水泵壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用自回歸滑動(dòng)平均模型（ARMA），實(shí)現(xiàn)礦井主排水泵剩余壽命評(píng)

6、估，并給出了基于離心泵數(shù)學(xué)模型的仿真分析結(jié)果，驗(yàn)證了算法的可行性。
　　研究了基于振動(dòng)信號(hào)和電信號(hào)多數(shù)據(jù)參量的礦井主排水泵故障診斷方法，提出了基于局部均值分解（LMD）的礦井主排水泵葉輪磨損振動(dòng)信號(hào)特征量提取方法。同時(shí)應(yīng)用派克變換電流平方模頻譜解決了礦井主排水泵葉輪磨損電流信號(hào)特征量被基波淹沒問題。結(jié)合振動(dòng)和電流信號(hào)故障特征數(shù)學(xué)模型給出了仿真分析，驗(yàn)證LMD算法和派克變換可以有效提取礦井主排水泵故障特征量，實(shí)現(xiàn)礦井主排水泵故障診斷

7、。
　　設(shè)計(jì)了基于雙循環(huán)測(cè)量隔離管路的礦井主排水設(shè)備加速壽命試驗(yàn)平臺(tái)，為在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行礦井主排水泵實(shí)物故障仿真試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。并提出了雙循環(huán)的管路結(jié)構(gòu)，解決了試驗(yàn)平臺(tái)管路堵塞和傳感器磨損等問題。
　　在試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)離心泵進(jìn)行了人工葉輪磨損破壞試驗(yàn)，測(cè)定了其振動(dòng)、電流和特性曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用算法進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：LMD算法可以有效提取葉輪磨損振動(dòng)信號(hào)故障特征量，實(shí)現(xiàn)礦井主排水泵故障診斷。電信號(hào)經(jīng)過派克變換可以解決基波