基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统

摘要

本发明公开了一种基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，步骤一针对各风机构建风机监控与故障诊断系统；步骤二利用物联网技术，将全矿各风机监控与故障诊断系统与通风安全监控系统集成起来，构建全矿风机风网监控系统；步骤三利用物联网技术将各矿风机风网监控系统集成起来，构建集团级风机风网监管系统；步骤四利用云计算平台，将风机用户、风机制造厂商、风机风网故障诊断专家集成在一个工作环境中，将风机监控与故障诊断系统功能提升至多风机智能控制，实现风网智能优化、风机故障辅助诊断。本发明提高通风系统的效率和可靠性，保证矿山安全生产，风网高效稳定，节能降耗。

权利要求

1.基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，其特征是该智能监控与故障诊断系统包括：(一)：针对各风机，构建风机监控与故障诊断系统；

(二)：利用物联网技术，将全矿各风机监控与故障诊断系统与通风安全监控系统集成起来，构建全矿风机与风网监控系统；

(三)：利用物联网技术，将各矿风机与风网监控系统集成起来，构建集团级风机与风网监管系统；

(四)：利用云计算平台，将风机用户、风机制造厂商、风机风网故障诊断专家集成在一个工作环境中，将风机监控与故障诊断系统功能提升至多风机智能控制，实现风网智能优化、风机故障辅助诊断。

2.如权利要求书1所述的基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，其特征是：所述（一）具体包括：（1-1）在每台风机上安装电压、电流、温度、风压、风速、振动传感器；

（1-2）将以上传感器接入PLC和振动信号监测服务器中，实现信息的采集，并将信息传送到平板电脑中，实现信息就地显示、处理；

（1-3）通过网络将信息传输到工控组态服务器中，构建风机监控与故障诊断系统。

3.如权利要求书1所述的基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，其特征是：所述（二）具体包括：（2-1）借助全矿井计算机网络，将各风机监控与故障诊断系统信息集成至全矿风机与风网监控平台；

（2-2）将通风安全监控系统信息集成至全矿风机与风网监控平台；

（2-3）依托全矿风机与风网监控平台，构建全矿风机与风网监控系统。

4.如权利要求书1所述的基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，其特征是：所述（三）具体包括：（3-1）构建全矿风机与风网监控系统与集团系统之间的接口与信息交换协议；

（3-2）利用上述(3-1)中接口和信息交换协议，构建集团级风机与风网监管平台；

（3-3）依托集团级风机与风网监管平台，构建集团级风机与风网监管系统。

5.如权利要求书1所述的基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，其特征是：所述（四）具体包括：（4-1）构建各集团级风机与风网监管系统与风机风网云平台之间接口和信息交换协议；

（4-2）构建云计算的风机与风网监管系统平台；

（4-3）利用云计算技术，将风机用户、风机制造厂商、风机风网故障诊断专家在同一平台上联系起来，将风机监控与故障诊断系统功能提升至多风机智能控制，实现风网智能优化、风机故障辅助诊断。

说明书

基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统

技术领域

[0001] 本发明涉及物联网技术、云计算技术、传感技术、信号处理技术和自动控制技术，通风网络解算，具体涉及基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统。

背景技术

[0002] 国外对通风机在线监控系统的研究起步较早，技术相对成熟，系统的可靠性高。典型代表为法国HDR280-69型动叶可调轴流通风机、德国矿用轴流通风机和丹麦Howden Variax轴流式通风机所配套的在线监控系统。

[0003] 国内对通风机在线监控系统的研究起步于上个世纪九十年代，首先从国外引进装备部分煤矿，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况逐步发展起来的。典型代表为江西煤炭工业研究所开发的“KFC 一型通风机监测仪”；煤炭总院重庆分院开发设计的“FJZ 型矿井主要通风机在线监测与故障诊断仪”；煤科总院抚顺分院研制的ZF一I型智能通风多参数测试仪；中国矿业大学开发的“KJZ-1型、KJZ-2矿井主通风机在线监测与通讯系统”。此外，煤科总院上海分院、太原理工大学、辽宁工程技术大学、西安科技大学等科研机构和学校也都研制出不同的矿井主通风机在线监测监控系统。目前，国内矿井主要通风机在线监控系统设计逐步趋于合理，系统结构正从以工控机为核心的集中监控模式向以PLC为核心的集散式监控模式转变。

[0004] 现有国内外风机监控与故障诊断系统，在线监测功能相对成熟，其在线控制功能仅为简单的开停控制，故障诊断功能研究尚处于起步阶段。各风机之间完全独立监控，然而，矿井风网是一个完整系统，连接在风网上的风机之间是必然有关联的，如何实现风网与风机的匹配是业界追求的目标，它直接影响风机能力发挥，风机节能和风网的可靠性。物联网技术出现，解决了多台风机监测与控制参数的通讯问题；云计算技术实现了风机用户、风机制造者、风机故障诊断专家、风网优化专家同台协作问题，使风机健康状态评价，辅助故障诊断，风机与风网最佳匹配成为可能。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于：提供一种基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统，解决风机与风网分散监控、风机与风网匹配、通风网络优化、风机故障诊断困难的问题，利用云计算技术将风机用户、生产商、风机故障诊断专家、通风网络专家在同一平台上联系起来，提高矿井通风系统的效率和可靠性，保证矿山安全生产，风网高效稳定运行，实现节能降耗。

[0006] 本发明采用的技术解决方案是该智能监控与故障诊断系统包括：

[0007] （一）：针对各风机，构建风机监控与故障诊断系统；

[0008] （二）：利用物联网技术，将全矿各风机监控与故障诊断系统与通风安全监控系统集成起来，构建全矿风机与风网监控系统；

[0009] （三）：利用物联网技术，将各矿风机与风网监控系统集成起来，构建集团级风机与风网监管系统；

[0010] （四）：利用云计算平台，将风机用户、风机制造厂商、风机风网故障诊断专家集成在一个工作环境中，将风机监控与故障诊断系统功能提升至多风机智能控制，实现风网智能优化、风机故障辅助诊断。

[0011] 其中，所述（一）具体包括：

[0012] （1-1）在每台风机上安装电压、电流、温度、风压、风速、振动传感器；

[0013] （1-2）将以上传感器接入PLC和振动信号监测服务器中，实现信息的采集，并将信息传送到平板电脑中，实现信息就地显示、处理；

[0014] （1-3）通过网络将信息传输到工控组态服务器中，构建风机监控与故障诊断系统。

[0015] 其中，所述（二）具体包括：

[0016] （2-1）借助全矿井计算机网络，定义风机监控系统与全矿风机与风网监控平台的通信协议，设计两者之间的通讯接口软件，将各风机监控与故障诊断系统信息集成全矿风机与风网监控平台；

[0017] （2-2）设计通风安全监控系统与全矿风机与风网监控平台通信协议，设计两者之间的通讯接口软件，将通风安全监控系统信息集成至全矿风机与风网监控平台；

[0018] （2-3）定义统一信息模型，对整个风网系统的状态监控以及故障预警，构建全矿风机与风网监控系统。

[0019] 其中，所述（三）具体包括：

[0020] （3-1）定义全矿风机与风网监控系统与集团系统之间的信息交换协议，设计两者之间的通讯接口软件；

[0021] （3-2）利用上述（3-1）中接口和信息交换协议，构建集团级风机与风网监管系统；

[0022] （3-3）构建集团级风机与风网监管系统平台，在该平台上实现集团监管信息的展示、存储及报警预警，生成各种报表为监管部门提供各矿风机、风网的实时和历史数据。

[0023] 其中，所述（四）具体包括：

[0024] （4-1）构建各集团级风机与风网监管系统与风机风网云平台之间接口和信息交换协议；

[0025] （4-2）构建云计算的风机与风网监管系统平台；

[0026] （4-3）利用云计算技术，将风机用户、风机制造厂商、风机风网故障诊断专家在同一平台上联系起来，构建全矿井风机状态监控、风网智能优化，风机故障诊断、风机智能监控系统。

[0027] 本发明具有以下优点：

[0028] 1、本发明在控制层次上被分为四级，依次为风机风网监控接入层、矿级级监控层、集团级级监控层和云监控层，各层的主要功能为：风机风网监控接入层主要实现风机与风网参数的实时监测；矿级监控层主要实现全矿多风机监控信息集成与协同控制；集团级监控测主要实现集团各矿风机风网信息的集成与运行监管；云监控级利用云平台完成风机健康状态分析、风网优化，风机故障辅助诊断、风机与风网匹配决策等工作。

[0029] 2、所述（一）一方面实现信息的采集，采集的信息主要包括电参数、气动参数、机械振动参数等实时信息构成对风机进行检测的基础动态信息；另一方面实现对风机的控制，如通过对电机转速的控制控制风量的大小，风机开停控制，有关外围设备控制等。

[0030] 3、所述（二）将全矿井风机监控与故障诊断系统信息联网，完成通风安全监控信息联网，实现了全矿井风机与风网的监控与管理，为后续集团监控与基于云的风机风网监控奠定基础。

[0031] 4、所述（三）集成矿与集团之间风机与风网信息，实现了风机与风网的全集团集中监管。

[0032] 5、所述（四）利用云计算技术将风机用户、生产商、风机故障诊断专家、通风网络专家在同一平台上联系起来，将风机监控与故障诊断系统功能提升至多风机智能控制，实现风网智能优化，风机故障诊断、风机健康状态评估；同时解决了矿山风机、风网故障诊断技术人员缺乏问题。

附图说明

[0033] 图1为基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统的框图。

[0034] 图2为图1中（一）的框图。

[0035] 图3为图1中（三）的框图。

[0036] 图4为图1中（三）的框图。

[0037] 图5为图1中（四）的框图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图对技术解决方案作进一步说明。

[0039] 如图1-5所示，采用以下步骤构建基于物联网和云计算的矿井通风机智能监控与故障诊断系统：

[0040] （一）构建风机监控与故障诊断系统：对矿井每台风机部署测量风量、风压、风速、温度、一氧化碳、粉尘、电压、电流、有功功率、功率因素各类传感器，对风机运行的气动参数（风量、风压、风速、效率）、环境参数（温度、一氧化碳、粉尘）、电量参数（电压、电流、有功功率、功率因素）、振动参数进行采集，实现对风机健康状态的感知；根据来自于风机监控系统的实时数据和从煤矿安全监控系统中抽取的通风工况（负压、风速等参数）的实时数据，监控矿井通风失稳，对相应的电机、风门进行手动和网络自动控制，实现矿井风机风网匹配；系统实时采集风机轴向、径向两方向振动信号，实时监测振动位移、速度、加速度，利用傅里叶变换、小波变换方法进行实时频谱分析，记录振动信号时频域波形，实时显示质心振动轨迹，实现超限报警；系统具体结构如图2所示，从图2可以看出，风机监控系统以PLC为核心构成，PLC型号为西门子、和利时，或品牌不限，主要是利用PLC运行可靠，使用方便的特点；风机振动参数测量，对采样时间要求较高，信息量较大，因此该部分围绕震动检测服务器构建，服务器实现对振动信号的高速采集、存储及实时处理，两大部分信息通过网络汇聚到矿风机风网监控监管平台上；

[0041] （二）构建全矿风机风网监控系统：通过网络，将各风机监控与故障诊断系统与通风安全监控系统，在全矿井风机风网监控平台上实现信息集成，该平台运行在全矿井风机风网监控服务器上，系统结构如图3所示；全矿井风机风网监控平台利用工控组态软件加以实现，具体工作：（1）编制风机监控与故障诊断系统与监控平台接口驱动软件；（2）编制通风安全监控接入接口驱动软件；（3）编制组态工程。组态工程的编制，需要根据矿上监控、监管的要求，具体进行系统组态、显示组态、WEB发布工作。

[0042] 系统组态：将（1）、（2）步设计好的驱动程序，添加到组态系统中，将以上系统信息在实时数据库中集成起来，。同时根据集团监管的要求，将有关变量通过网络数据同步模块上传集团公司监管平台；

[0043] 显示组态：设计组态界面，将风机风网参数，实时、动态、直观、形象地展示出来。并可进行报警与预警。接受上级系统的命令对风机风网进行调控；

[0044] WEB发布：最后通过网络将组态工程发布出去，供有关用户监控和浏览；

[0045] （三）构建集团级风机风网监管系统：通过网络，将各矿风机与风网监控系统，在全集团风机风网监控平台上实现信息集成，该平台运行在全集团风机风网监控服务器上，系统结构如图4所示；根据集团监管要求编制组态工程，具体工作是系统组态、显示组态、WEB发布；

[0046] 系统组态：多个数据同步模块添加到组态系统中，每个数据同步模块对应一个矿数据同步模块，同步变量的选取，需要根据集团监管的要求，将有关变量通过网络数据同步模块上传集团公司监管平台；

[0047] 显示组态：设计组态界面，最后通过网络将组态工程发布出去，供有关用户监控和浏览，该平台主要实现各风机风压、风量、主要工作面风量以及故障和报警信息的显示、存储等功能；

[0048] （四）构建联系风机用户、制造商、风机与风网故障诊断专家云计算平台：风机与风网故障诊断云计算平台，是SaaS型云计算平台，如图5所示，该平台建立在互联网上，在云平台上提供以下功能：风机风网的监控、风网优化、风网解算、风网模拟、故障辅助分析；分析的结果经过平台上的专家协商确认后，将决策下达至监控系统执行相应的控制操作，保证矿井通风系统高效、稳定、可靠运行。