煤机设备无线自供电状态监测系统设计与实现
发布时间：2021-09-07 14:42
煤炭是我国能源基石,在国民经济中占有重要战略地位。随着煤矿机械化程度不断提高,煤机设备健康状况将直接影响到煤炭企业的生产效率和经济效益。近些年来,因操作不规范、设备陈旧老化、检修不到位等因素带来的煤矿机械事故频发,保证煤机设备安全可靠运行显得尤为重要。建立煤机设备在线状态监测系统获取设备关键状态信息进行预知维修,是提高煤矿生产效率和保障安全生产的有效途径。受恶劣工作环境与人员操作不当等因素影响,煤机设备不可避免会产生各种机械故障,故障往往表现为异常的振动和温度变化。这些振动与温度信号中包含大量因冲击、磨损、腐蚀、疲劳、老化等因素引起的劣化和失效等重要设备状态信息,是进行设备状态在线监测与故障诊断的重要数据来源。对煤机设备工作过程中振动和温度信号进行实时监测,可提早发现设备故障,实现由“事后维修”到“预知维修”的转变,从而有效避免突发性事故发生,消除续发损坏,节约大量维护费用。本文面向我国煤矿智能化发展战略需求,针对当下煤机设备状态监测系统时效性差、通信电缆铺设困难、需定期更换电池等问题,以煤机设备运行状态实时监测为目的,秉承安全、创新、绿色、智能的设计理念,结合相关技术发展现状与技术瓶...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤机设备运行环境及故障部位Figure1-1Operatingenvironmentandfaultlocationofcoalmachineequipment
中北大学学位论文2展设备状态在线监测与故障诊断的重要数据来源[6-8]。因此对煤机设备进行状态监测与故障诊断，及时准确识别设备故障时关键部位微弱特征信号，提早发现设备故障，可有效提高煤矿关键装备整体运行安全性和可靠性，实现由“事后维修”到“预知维修”的转变，从而有效避免意外停机等突发性事故发生，消除续发损坏，节约维护费用，具有很高的应用价值和现实意义[9-11]。图1-2煤机设备故障产生原因及外在表现Figure1-2Causesandexternalperformanceofcoalmachineequipmentfailure煤机设备具有旋转快、振动强等特点，传统的线缆供电、数据传输监测方式存在铺设成本高与线缆缠绕等问题而无法广泛使用[12]。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）通过集成微电子、微控制器、无线通信和信息处理等先进技术，可以有效地解决上述问题。WSN传感器节点具备无须铺设线路、易维护、易组网等优势，是实现煤矿设备运行状态实时监控和智能预警的一种有效方法[13]。但采用WSN进行监测存在能源供给困难的问题：传统WSN传感器节点采用电池供电的方式，在煤矿恶劣工作环境下，定期更换电池极其不便且成本太高。采用自供电技术收集环境能量为信号采集节点供电无疑是解决这一难题的有效途径。从20世纪末开始，机械、电气、材料等领域研究人员展开了对微能源器件的探索研究。近些年来，将环境能量转换为电能的发电模式受到了各国科学家青睐，WANG等人对微能源的基础理论、结构和发展形式进行了深入探索与研究[14-16]。在人体健康、生态环境和工业设备监测等领域中，自供电技术展现出了良好的研究和应用前景[17,18]。得益于微电子技术的日益进步，传感器、微控制器、天线等器件功耗不断降低。随着微能源技术与能量管理技术的不断发展
中北大学学位论文4方式组网，实现了煤矿智能化管理[24]。我国相对起步较晚，自上世纪80年代初才开始进行相关技术和产品研究并先后从国外引进一系列产品，在部分煤矿投入使用[25]。与此同时，秉承自力更生的原则，通过对国外相关产品和技术的研究、吸收并结合我国煤矿实际情况，逐步开发出拥有自主知识产权的煤矿安全监测系统[26]。90年代以来，伴随着传感器技术、集成电路制造技术、计算机技术的迅猛发展与煤矿企业对安全生产的迫切需求，国内相关科研单位和生产厂家又相继研制出功能更加完善的煤矿安全监测系统并在国内煤矿中大量投入使用[27]。图1-3国内典型煤矿安全监测系统Figure1-3Domestictypicalcoalminesafetymonitoringsystem我国早期的KJ2，KJ4等监测系统以DOS系统为操作平台，仅能实现单机监控。后来的KJ92，KJ95等系统采用了Windows系统，能够实现网络连接功能，开始了监控系统网络化监测初步尝试[28]。随着传感器技术、数据传输技术、信息处理技术、工业控制技术及自组网技术的不断发展，我国煤矿安全监测技术逐步从人工监测发展到了自动监测、智能监测并逐步形成监测网络，为煤矿安全生产和现代化管理提供了有力支持[29]。目前，新型煤矿安全监测监控系统逐步成为该领域研究热点，受到众多科研单位广泛关注和研究，并取得了一系列成果。上海交通大学顾苑婷等人将工业以太网和CAN
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式温度监测系统在煤自燃预警中的应用[J]. 朱兴攀,许敏,王鹏,黄克军. 煤炭工程. 2019(10)
[2]煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J]. 王国法,刘峰,孟祥军,范京道,吴群英,任怀伟,庞义辉,徐亚军,赵国瑞,张德生,曹现刚,杜毅博,张金虎,陈洪月,马英,张坤. 煤炭科学技术. 2019(08)
[3]煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J]. 王国法,刘峰,庞义辉,任怀伟,马英. 煤炭学报. 2019(02)
[4]智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J]. 王国法,赵国瑞,任怀伟. 煤炭学报. 2019(01)
[5]煤矿机械工作状态监测系统研究[J]. 张文栋,薛晨阳. 振动.测试与诊断. 2018(05)
[6]煤矿安全监测监控系统的发展历程和趋势分析[J]. 刘文秀. 矿业装备. 2018(04)
[7]基于优化分类的机械振动信号压缩感知[J]. 王强,张培林,王怀光,吴定海,张云强. 振动与冲击. 2018(14)
[8]煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J]. 谢和平,王金华,王国法,任怀伟,刘见中,葛世荣,周宏伟,吴刚,任世华. 煤炭学报. 2018(05)
[9]智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J]. 王国法,王虹,任怀伟,赵国瑞,庞义辉,杜毅博,张金虎,侯刚. 煤炭学报. 2018(02)
[10]低功耗机械振动无线传感器网络节点结构设计[J]. 曾超,汤宝平,肖鑫,陈天毅. 振动与冲击. 2017(14)
博士论文
[1]基于抗磁稳定悬浮的电磁式振动能量收集器研究[D]. 张坤.郑州大学 2019
硕士论文
[1]地震数据采集模块通用测试系统的研究与设计[D]. 陈腾飞.中国科学技术大学 2019
[2]基于LabVIEW的BMS上位机系统设计[D]. 尹天成.青岛大学 2019
[3]海洋浮标能量收集器电源管理系统的设计与实现[D]. 郑欣昊.哈尔滨工业大学 2019
[4]柔性可拉伸压电纳米发电机制备及其性能研究[D]. 牛旭时.中北大学 2019
[5]基于静电放电的摩擦发电机性能提升器的研究与设计[D]. 翟聪.中北大学 2019
[6]煤矿安全生产监控系统云联网平台关键技术研究[D]. 张莉.中国矿业大学 2019
[7]摩擦—电磁—压电复合式能量采集器的设计研究[D]. 温涛.中北大学 2018
[8]自供电无线传感器网络能量管理研究[D]. 戴海成.兰州交通大学 2018
[9]基于ZigBee的智能家居整宅解决方案的规划设计[D]. 加丰瑞.西安电子科技大学 2017
[10]基于虚拟仪器的智能变配电监测系统的研究[D]. 靳占磊.天津科技大学 2017
本文编号：3389730
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤机设备运行环境及故障部位Figure1-1Operatingenvironmentandfaultlocationofcoalmachineequipment
中北大学学位论文2展设备状态在线监测与故障诊断的重要数据来源[6-8]。因此对煤机设备进行状态监测与故障诊断，及时准确识别设备故障时关键部位微弱特征信号，提早发现设备故障，可有效提高煤矿关键装备整体运行安全性和可靠性，实现由“事后维修”到“预知维修”的转变，从而有效避免意外停机等突发性事故发生，消除续发损坏，节约维护费用，具有很高的应用价值和现实意义[9-11]。图1-2煤机设备故障产生原因及外在表现Figure1-2Causesandexternalperformanceofcoalmachineequipmentfailure煤机设备具有旋转快、振动强等特点，传统的线缆供电、数据传输监测方式存在铺设成本高与线缆缠绕等问题而无法广泛使用[12]。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）通过集成微电子、微控制器、无线通信和信息处理等先进技术，可以有效地解决上述问题。WSN传感器节点具备无须铺设线路、易维护、易组网等优势，是实现煤矿设备运行状态实时监控和智能预警的一种有效方法[13]。但采用WSN进行监测存在能源供给困难的问题：传统WSN传感器节点采用电池供电的方式，在煤矿恶劣工作环境下，定期更换电池极其不便且成本太高。采用自供电技术收集环境能量为信号采集节点供电无疑是解决这一难题的有效途径。从20世纪末开始，机械、电气、材料等领域研究人员展开了对微能源器件的探索研究。近些年来，将环境能量转换为电能的发电模式受到了各国科学家青睐，WANG等人对微能源的基础理论、结构和发展形式进行了深入探索与研究[14-16]。在人体健康、生态环境和工业设备监测等领域中，自供电技术展现出了良好的研究和应用前景[17,18]。得益于微电子技术的日益进步，传感器、微控制器、天线等器件功耗不断降低。随着微能源技术与能量管理技术的不断发展
中北大学学位论文4方式组网，实现了煤矿智能化管理[24]。我国相对起步较晚，自上世纪80年代初才开始进行相关技术和产品研究并先后从国外引进一系列产品，在部分煤矿投入使用[25]。与此同时，秉承自力更生的原则，通过对国外相关产品和技术的研究、吸收并结合我国煤矿实际情况，逐步开发出拥有自主知识产权的煤矿安全监测系统[26]。90年代以来，伴随着传感器技术、集成电路制造技术、计算机技术的迅猛发展与煤矿企业对安全生产的迫切需求，国内相关科研单位和生产厂家又相继研制出功能更加完善的煤矿安全监测系统并在国内煤矿中大量投入使用[27]。图1-3国内典型煤矿安全监测系统Figure1-3Domestictypicalcoalminesafetymonitoringsystem我国早期的KJ2，KJ4等监测系统以DOS系统为操作平台，仅能实现单机监控。后来的KJ92，KJ95等系统采用了Windows系统，能够实现网络连接功能，开始了监控系统网络化监测初步尝试[28]。随着传感器技术、数据传输技术、信息处理技术、工业控制技术及自组网技术的不断发展，我国煤矿安全监测技术逐步从人工监测发展到了自动监测、智能监测并逐步形成监测网络，为煤矿安全生产和现代化管理提供了有力支持[29]。目前，新型煤矿安全监测监控系统逐步成为该领域研究热点，受到众多科研单位广泛关注和研究，并取得了一系列成果。上海交通大学顾苑婷等人将工业以太网和CAN
【参考文献】：
期刊论文
[1]分布式温度监测系统在煤自燃预警中的应用[J]. 朱兴攀,许敏,王鹏,黄克军. 煤炭工程. 2019(10)
[2]煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J]. 王国法,刘峰,孟祥军,范京道,吴群英,任怀伟,庞义辉,徐亚军,赵国瑞,张德生,曹现刚,杜毅博,张金虎,陈洪月,马英,张坤. 煤炭科学技术. 2019(08)
[3]煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[J]. 王国法,刘峰,庞义辉,任怀伟,马英. 煤炭学报. 2019(02)
[4]智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J]. 王国法,赵国瑞,任怀伟. 煤炭学报. 2019(01)
[5]煤矿机械工作状态监测系统研究[J]. 张文栋,薛晨阳. 振动.测试与诊断. 2018(05)
[6]煤矿安全监测监控系统的发展历程和趋势分析[J]. 刘文秀. 矿业装备. 2018(04)
[7]基于优化分类的机械振动信号压缩感知[J]. 王强,张培林,王怀光,吴定海,张云强. 振动与冲击. 2018(14)
[8]煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J]. 谢和平,王金华,王国法,任怀伟,刘见中,葛世荣,周宏伟,吴刚,任世华. 煤炭学报. 2018(05)
[9]智慧煤矿2025情景目标和发展路径[J]. 王国法,王虹,任怀伟,赵国瑞,庞义辉,杜毅博,张金虎,侯刚. 煤炭学报. 2018(02)
[10]低功耗机械振动无线传感器网络节点结构设计[J]. 曾超,汤宝平,肖鑫,陈天毅. 振动与冲击. 2017(14)
博士论文
[1]基于抗磁稳定悬浮的电磁式振动能量收集器研究[D]. 张坤.郑州大学 2019
硕士论文
[1]地震数据采集模块通用测试系统的研究与设计[D]. 陈腾飞.中国科学技术大学 2019
[2]基于LabVIEW的BMS上位机系统设计[D]. 尹天成.青岛大学 2019
[3]海洋浮标能量收集器电源管理系统的设计与实现[D]. 郑欣昊.哈尔滨工业大学 2019
[4]柔性可拉伸压电纳米发电机制备及其性能研究[D]. 牛旭时.中北大学 2019
[5]基于静电放电的摩擦发电机性能提升器的研究与设计[D]. 翟聪.中北大学 2019
[6]煤矿安全生产监控系统云联网平台关键技术研究[D]. 张莉.中国矿业大学 2019
[7]摩擦—电磁—压电复合式能量采集器的设计研究[D]. 温涛.中北大学 2018
[8]自供电无线传感器网络能量管理研究[D]. 戴海成.兰州交通大学 2018
[9]基于ZigBee的智能家居整宅解决方案的规划设计[D]. 加丰瑞.西安电子科技大学 2017
[10]基于虚拟仪器的智能变配电监测系统的研究[D]. 靳占磊.天津科技大学 2017
本文编号：3389730
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