洗选厂矿用振动筛、泵、带式输送机等洗选厂设备是掌控煤产品质量的关键环节，设备能否可靠运行直接关系到企业的安全生产和经济效益。现阶段洗选厂设备运行监控，主要是运用人工点检方式来实现。洗煤车间通常是近十层楼的多层建筑结构，设备分散、监测点多、分布不规律，人工点检方式存在很多不足：设备工况数据无法连续跟踪关注、监测耗时、事故反应滞后、劳动强度大等缺点，导致洗选厂经常出现振动筛横梁和侧板损坏或弹簧变形、减速器断齿、轴承损坏等故障，现阶段各类设备故障诊断方法和预知维护方法均是在振动信号分析为主、温度信号为辅的基础上提出的，因此为及时、准确地掌握设备工况变化情况，需要搭建设备振动和温度在线监测系统，有助于洗选工艺的顺利完成，也是建设现代信息化洗选厂的主要途径。

1 系统总体方案

1.1 功能要求

(1) 洗选车间设备全覆盖。个洗选车间大概有三十多台待监测设备，每台设备的电机、减速器、以及激振器等其他关联设备都需要进行振动和温度监测，因此涉及的监测点多达两百多个，因此需要根据监测点位置分布特点合理设置监测子站的位置，以及每个监测子站的监测范围。

(2) 监测分站与监测子站之间实现无线通信。如前所述，洗煤厂车间内设备分布不规律、跨楼层、车间内粉尘大需每天冲水清洗因此环境恶劣，如按照有线监测和有线数据传输方式将会在现场布设很多线缆，占用空间且存在大的安全隐患，因此需要基于无线通信方式搭建设备在线监测系统；另外车间内和楼层之间多为钢架结构，要保证监测分站与监测子站之间可靠的无线通信，同样要考虑监测分站的位置选择和管辖子站的范围。

(3) 监测总站的后端数据处理与设备健康状态诊断。监测总站是整个监测系统的大脑，位于洗选厂监控中心，通过网关利用光纤网络接收所有监测分站传送来的监测数据，除需要实现对数据进行解析处理、显示、存储、生成报表等基本功能之外，还需要具备“思考判断”能力及时跟踪判断设备运行状况并报警。

1.2 总体结构方案

总体结构方案如图1所示，洗选厂设备工况实时监测系统由现场监测子站、现场监测分站和监控室监测总站三部分组成。

图1  总体结构方案

在电机轴承、滚筒布司座、减速器上安装温度传感器实现设备的温度监测，在电机、减速器、振动筛上加装振动传感器实现振动情况的监测，监测数据经过采集仪和定向天线通过无线网络上传至相应的监测分站，然后数据通过光纤环网上传至环网交换机并由监测主站获取，并由上位机分析软件对信号进行分析处理和设备健康状况诊断。

2 监测系统硬件设计

2.1 监测子站硬件设计及功能要求

监测子站结构图如图2所示，监测子站主要由矿用本安型数据采集仪、矿用本安型振动数据传感器、铂电阻温度传感器和定向天线组成，主要元器件选型见表1。每个数据采集仪可以连接8个振动传感器和8个温度传感器，分别采集不同设备和不同位置的振动信号、温度信号，经处理后采用WiFi无线通信方式发送至监测分站。

图2  监测子站结构图

表1  主要元器件选型

采集仪是自行研发的矿用本安型数据采集仪YHC(A)，基于STM32F103微控制器为核心的外围扩展模块作为数据采集处理板，其硬件结构如图3所示。

图3  数据采集仪主板硬件结构

采集到的振动信号和温度信号分别经采集仪内各自的调理电路进行调理，并进行模数转换处理后转换成标准的电压信号输出给STM32F103ZET6微处理器，再通过UART接口实现处理器与无线通信模块EMW3162实现数据交互，并以WiFi无线通信方式实现子站与监测分站的数据传输。

监测子站主要实现的功能主要包括以下四个方面：

(1) 显示功能：共设计3个显示界面分别为：该子站8路温度值的显示界面、WiFi参数查询设置界面、采样与站号设置页面。

(2) 参数设置功能：可以通过键盘设置实现翻页、WiFi参数与温度极限值设定。

(3) 警功能：如果监测温度值超过设定的极限值相应的指示灯变为红色。

(4) 通讯功能：实现监测子站与监测分站之间的数据通讯。

2.2 监测分站

监测分站选用KTW118K(C)型矿用无线通信基站，发射频率为2.3GHz~2.50GHz，发射功率≤24dBm，传输方式为WiFi，最大通信距离为200m(无遮挡)，按照队列先后顺序接收各监测子站发送的监测信号。

因洗选车间是钢筋混凝土的主体结构，且内部存在很多钢架结构，对无线信号传输不利；另外车间内均为大功率机电设备，同时运行存在很强的电磁干扰，也会削弱无线信号。因此监测分站位置的确定非常关键，应充分考虑每层监测设备的安装位置以保证大数据信号的通讯可靠，经现场反复验证：监测分站最多可以与其上下两个楼层临近的监测子站实现稳定通讯，因此洗选车间存在监测分站与监测子站之间跨层通讯的布局情况。

3 监控室监测总站

监控室监测总站是以LabVIEW软件为开发平台，采用生产者/消费者模式作为系统核心设计了洗选厂设备运行监测平台，具备完善的实时数据采集、显示、存储、发送、故障报警、历史数据查询、数据分析等功能，监测总站是以生产者/消费者的模式进行设计，其结构图如图4所示。

图4  检测软件结构示意图

3.1 生产者

监测总站的生产者包括数据采集和OPC数据共享两部分：

(1) 数据采集模块作为生产者，包含温度数据采集和振动数据采集，针对振动数据可按需求对采样方式、采样频率、采样数量等进行配置。

(2) 监测总站通过使用OPC技术可以使洗选厂建立一个统一的设备监测平台，对主皮带、破碎机等设备已有的独立监测系统进行数据共享，消除信息孤岛，将监测信息更加全面有效地整合起来，方便对实时信息进行统一的管理、发布和利用。

3.2 消费者

监测总站的消费者包括五大功能模块：数据传输模块、数据显示功能模块、数据存储功能模块、数据分析功能模块和预知维护决策功能模块。

(1) 数据传输模块分为发送端和接收端两个部分，监测分站发送端程序采用FTP方式通过工业环网向监测总站发送数据文件，数据传输流程图如图5所示。

图5  数据传输系统流程图

(2) 数据显示功能模块将生产队列传送过来的各类监测数据进行预处理，实时显示在监测总站的平台界面中，并设定参数极限值实现声光报警。

(3) 数据存储功能模块是利用TDMS数据库，将生产者采集的监测数据存储到本地计算机文件中。

(4) 数据分析功能模块主要是对传输过来的振动加速度信号进行时域和频域分析并计算出绝对均值、峰值、有效值、偏态指标等24个特征指标。

(5) 预知维护决策功能模块主要是在计算得到的24个特征指标值的基础上，利用二维投影早期故障诊断算法对设备运行健康状态进行评估，主要的评估过程如图6所示。

图6  设备运行健康状况评估过程

首先对正常状态下和待评估状态的振动信号分别进行预处理并各计算得出24个特征指标，借助投影寻踪方法对正常状态下的特征指标进行投影，由于特征指标的投射值分布对于某一固定设备在正常运转状态下是固定不变的，以此建立投影值分布标准，待评估状态的24个特征指标在同样的投影方向下进行投影，如果投影值和正常状态下重叠则说明设备运行状态正常，否则说明设备出现异常需及时排查，从而实现早期故障预警和预知维护的功能。基于LabVIEW软件开发的预知维护决策软件界面如图7所示。

图7  监测总站预知维护功能界面

从右侧投影值分布特点可以看出，两个待评估时刻的24个特征指标的投影值分布均与正常状态下投影值分布重叠，说明设备运行状态正常。该方法对洗选厂的所有设备都具有普遍适用性，均能通过此方法及时跟踪捕捉设备偏离正常状态的信息。

4 结语

根据洗选厂主洗车间特点，设计并搭建了洗选厂设备在线监测系统，并于2017年6月在成庄矿洗选厂投入使用，实现了厂内包括振动筛、泵、带式输送机、减速器在内的所有设备的实时监测，提高了洗选车间的综合信息化管理和自动化水平，够为洗选厂的设备管理提供全面的数据信息；系统自投入使用以来，实现对选煤设备运行状态的及时跟踪评估，指导日常维护工作，设备的故障率明显降低，避免了因设备故障造成的经济损失和可能的安全隐患，洗选厂的安全生产得到了充分的保障。

◎作者简介：郭东杰(1977—)，男，山西洪洞人，工程师，晋城煤业集团成庄矿矿长，研究方向：煤矿管理、煤矿安全生产技术。

◎引用格式：郭东杰，程晓涵，王硕，等．基于无线通信的洗选厂设备在线监测系统设计［J］．煤炭工程，2019，51(2)：20－23．