基于狀態(tài)的煤礦大型固定設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)

侯 鵬 飛，韓 磊

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司鉆探技術(shù)與裝備研發(fā)中心，陜西 西安 710065；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

0 引言

大型固定設(shè)備的正常運(yùn)行是保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的根本。常用的大型固定設(shè)備包括通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、瓦斯抽放泵、膠帶運(yùn)輸機(jī)、變配電設(shè)備、排水泵等。隨著“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的推廣，對大型固定設(shè)備管理與維護(hù)提出了更高的要求[1～3]。

目前，煤礦在大型固定設(shè)備維護(hù)方面大多采用以計(jì)劃維護(hù)為主、狀態(tài)監(jiān)測為輔的被動(dòng)維護(hù)方式，普遍存在的問題和缺陷有五個(gè)方面：一是大型固定設(shè)備難以集中管理，計(jì)劃檢修對維護(hù)人員的依賴性較強(qiáng)，維護(hù)人員積極性下降，容易發(fā)生檢查不到位、不及時(shí)，而導(dǎo)致設(shè)備故障；二是對修護(hù)人員的工作質(zhì)量監(jiān)控，目前僅通過現(xiàn)場填寫檢修表進(jìn)行管理，未做到精確管理，對于是否按時(shí)按點(diǎn)進(jìn)行檢查，沒有強(qiáng)制性管理手段，容易漏檢；三是大型固定設(shè)備日常維護(hù)采用紙質(zhì)版點(diǎn)檢表、強(qiáng)檢表記錄設(shè)備維護(hù)信息，工作效率降低，統(tǒng)計(jì)分析難；四是大型固定設(shè)備關(guān)鍵零部件使用壽命沒有統(tǒng)計(jì)，對于容易老化、磨損的關(guān)鍵部位沒有長期監(jiān)測、計(jì)劃管控，導(dǎo)致部件更換不科學(xué)，很難避免老部件壽命結(jié)束而造成的突發(fā)故障現(xiàn)象；五是大型固定設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)各成體系，“孤島”運(yùn)行，一臺(tái)計(jì)算機(jī)對應(yīng)一種監(jiān)控軟件，技術(shù)人員只能在規(guī)定的計(jì)算機(jī)上操作，導(dǎo)致操作繁復(fù)、效率低下。

針對上述問題與缺陷，提出一種基于狀態(tài)的維護(hù)思路，通過開發(fā)智能化軟件將煤礦通風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、瓦斯抽放泵、膠帶運(yùn)輸機(jī)、變配電設(shè)備、排水泵在線監(jiān)測、巡檢強(qiáng)檢等設(shè)備統(tǒng)一管理，并結(jié)合在線狀態(tài)評估、人工狀態(tài)評估以及設(shè)備壽命預(yù)測全面分析設(shè)備運(yùn)行情況，為實(shí)現(xiàn)大型固定設(shè)備“無人值守，有人巡檢”管理模式提供依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)思路

基于狀態(tài)的維護(hù)（CBM，Condition Based Maintenance）的基本思想是借助傳感裝置對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工作環(huán)境的各方面實(shí)時(shí)監(jiān)測并采集信息，并對信息處理與分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備當(dāng)前健康狀況的診斷，并利用預(yù)診斷技術(shù)預(yù)測設(shè)備未來的工作壽命，有針對性地制定設(shè)備維修計(jì)劃，合理安排設(shè)備的維修調(diào)度時(shí)間。診斷和預(yù)測是基于狀態(tài)的維護(hù)系統(tǒng)中的兩個(gè)重要部分。診斷涉及到系統(tǒng)發(fā)生異常狀況時(shí)，對故障的發(fā)現(xiàn)，定位和隔離。預(yù)測則需要在系統(tǒng)發(fā)生故障和退化前做出預(yù)測。CBM通常包括數(shù)據(jù)提取，診斷及評估，預(yù)測，策略優(yōu)化四個(gè)步驟[4]。

當(dāng)前煤礦自動(dòng)化規(guī)模與程度已有了很大發(fā)展，能夠獲取大型固定設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)，但目前的監(jiān)控系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)分析與診斷、評估、預(yù)測等功能。因此，在基于CBM的基礎(chǔ)上，綜合考慮大型設(shè)備可靠運(yùn)轉(zhuǎn)保障系統(tǒng)的全面化、信息化、規(guī)范化，設(shè)計(jì)思路如圖1所示，通過自動(dòng)化采集與人工采集兩部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，并利用狀態(tài)評估方法和人工經(jīng)驗(yàn)評估方法進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)診斷評估，結(jié)合可靠性評估方法預(yù)測設(shè)備隱患情況，為維護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 基于的狀態(tài)設(shè)備維護(hù)設(shè)計(jì)思路

2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1所示CBM維護(hù)的設(shè)計(jì)思路，將大型固定設(shè)備維護(hù)分為自動(dòng)化采集與評估、人工采集與評估、可靠性評估、故障統(tǒng)計(jì)四大功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集與評估

2.1.1 自動(dòng)化采集與評估

自動(dòng)化采集是利用傳感裝置將設(shè)備運(yùn)行中相關(guān)的溫度、振動(dòng)、壓力、位移、電氣性能等各方面的運(yùn)行信息通過檢查與測量方式賦予定性或定量結(jié)果的過程。常規(guī)在線檢測技術(shù)利用傳感及信號調(diào)理電路、通信接口和總線、記錄顯示儀器，將設(shè)備運(yùn)行中的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并傳輸、顯示[4]。

對于在線參數(shù)而言，觀察運(yùn)行曲線尋找運(yùn)行規(guī)律是評估設(shè)備狀態(tài)最直接的方式。設(shè)備正常運(yùn)行、隱患運(yùn)行以及故障運(yùn)行均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行曲線的變化，如圖2所示。因此，利用數(shù)據(jù)庫對各種參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過曲線進(jìn)行顯示觀察。

其中，溫度及振動(dòng)參數(shù)變化范圍較大，例如外部天氣對溫度的影響、潤滑油多少對軸承溫度的影響，開停機(jī)對振動(dòng)的影響，均會(huì)導(dǎo)致溫度參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)變化范圍較大。因此，為了更好的描述參數(shù)所表達(dá)的設(shè)備情況，采用狀態(tài)評估法對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評估。

圖2 在線采集參數(shù)趨勢示意圖

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估，即每種參數(shù)均設(shè)置其安全閾值，超過或低于安全閾值均可對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評估，表1所示為狀態(tài)評估方法及狀態(tài)治理方式。

表1 狀態(tài)評估方法及治理方式

2.1.2 人工采集與評估

人工采集與評估工作內(nèi)容是對自動(dòng)化采集與評估的補(bǔ)缺，人工采集工作包括日常巡檢、強(qiáng)制檢修等計(jì)劃維護(hù)下的內(nèi)容。其中，日常巡檢周期一般定為1～2h，具體內(nèi)容包括兩部分：

1）利用手持式振動(dòng)儀、溫度儀等檢測設(shè)備，現(xiàn)場實(shí)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，避免自動(dòng)化采集中發(fā)生傳感器損壞、網(wǎng)絡(luò)故障等導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)不及時(shí)、不可靠的情況發(fā)生；

2）通過看、聽、摸等經(jīng)驗(yàn)方式判斷設(shè)備整體運(yùn)行狀態(tài)，彌補(bǔ)自動(dòng)化評估中沒有監(jiān)測完善的地方。強(qiáng)制檢修是針對設(shè)備零部件使用周期強(qiáng)制探傷與更換，例如，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見磨損器件更換、軸承、殼體等裂隙探傷、潤滑液定期添加等。同時(shí)，將巡檢、強(qiáng)檢內(nèi)容電子表格化，現(xiàn)場工人按時(shí)按點(diǎn)利用平臺(tái)軟件定期填寫工作內(nèi)容，避免計(jì)劃維修中人的不確定因素導(dǎo)致的巡檢、強(qiáng)檢工作不到位、不及時(shí)等情況。

2.2 可靠性評估

可靠性模型是可靠性評價(jià)、預(yù)測等研究的基礎(chǔ)，本文采用二參數(shù)威布爾分布模型模擬大型固定設(shè)備零部件運(yùn)行[5]，采用平均秩次法對故障順序修正并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[6]，進(jìn)而對煤礦大型固定設(shè)備零部件進(jìn)行可靠性建模、評估。

煤礦井下大型固定設(shè)備運(yùn)行規(guī)律一般包括運(yùn)行和停機(jī)檢修兩類時(shí)間，因此，不能單獨(dú)僅考慮設(shè)備運(yùn)行時(shí)間或者加載時(shí)間，如圖3所示：①累計(jì)運(yùn)行時(shí)間：設(shè)備安裝后開始運(yùn)行的累計(jì)時(shí)間；②累計(jì)加載時(shí)間：設(shè)備加載運(yùn)行累計(jì)時(shí)間；③截尾數(shù)據(jù)（H）。截尾數(shù)據(jù)既有可能在下一個(gè)故障之前出現(xiàn)故障，又有可能在其之后出現(xiàn)故障，所以將會(huì)影響故障的秩；④故障截止點(diǎn)：設(shè)備故障或存在隱患（不是正常檢修的人為停機(jī)，需要更換零部件、需要廠家維修等情況），單一設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間與累計(jì)加載時(shí)間的故障截止點(diǎn)同時(shí)發(fā)生。

圖3 累計(jì)歷史故障數(shù)據(jù)

圖4 可靠性評估基本流程

設(shè)備故障截止點(diǎn)判斷（圖4）所示有兩種方式：設(shè)備狀態(tài)警戒由系統(tǒng)自動(dòng)判定或人為給定，將設(shè)備歷史運(yùn)行時(shí)間段按大小排序得到秩編號，通過平均秩次法求解經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)，利用最小二乘法計(jì)算參數(shù)[7]，代入失效分布函數(shù)模擬設(shè)備運(yùn)行故障發(fā)生的可能性，為維護(hù)、維修提供依據(jù)。

2.3 故障統(tǒng)計(jì)

故障統(tǒng)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的反饋與容錯(cuò)階段。工作人員將設(shè)備發(fā)生過的問題進(jìn)行匯總，將故障信息填寫于故障統(tǒng)計(jì)模塊。這些信息有故障類型、故障特征、故障發(fā)生的結(jié)果、發(fā)生故障的原因以及常見故障處理與預(yù)防方法。通過故障統(tǒng)計(jì)能夠積累故障維護(hù)/維修的經(jīng)驗(yàn)，為現(xiàn)場工作人員處理突發(fā)問題提供處理依據(jù)，同時(shí)能夠優(yōu)化自動(dòng)化與人工采集和評估中沒有考慮到的地方，并為礦區(qū)培養(yǎng)機(jī)電設(shè)備維修人員提供學(xué)習(xí)材料。

3 統(tǒng)簡介與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)簡介

基于狀態(tài)的煤礦大型固定設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)主界面如圖5所示，由4部分組成。①設(shè)備選項(xiàng)卡：主通風(fēng)機(jī)、瓦斯抽放泵、壓風(fēng)機(jī)、膠帶運(yùn)輸機(jī)、變電所、主排水泵；②在線數(shù)據(jù)顯示欄：在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷；③歷史數(shù)據(jù)顯示欄包括：巡檢欄（巡檢內(nèi)容修改，周期巡檢信息填寫、狀態(tài)查看）、強(qiáng)檢欄（強(qiáng)檢內(nèi)容修改，周期強(qiáng)檢信息填寫、狀態(tài)查看）；④工具欄：狀態(tài)策略設(shè)置（特征參數(shù)安全閾值設(shè)定）、管理工作（檢修周期設(shè)定）、可靠性分析、狀態(tài)信息總結(jié)、故障總結(jié)等。工具欄中狀態(tài)策略設(shè)置針對每種設(shè)備各種參數(shù)五種狀態(tài)閾值進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)歷史數(shù)據(jù)顯示欄可以通過判斷設(shè)備該類參數(shù)運(yùn)行規(guī)律，為安全閾值的設(shè)定提供依據(jù)。

在線數(shù)據(jù)顯示欄中，運(yùn)行參數(shù)背景顏色代表涵義：綠色（正常）、藍(lán)色（風(fēng)險(xiǎn)）、黃色（警戒）、紫色（緊急）、紅色（危險(xiǎn)）。監(jiān)測欄最右邊色球的顏色為左側(cè)設(shè)備即時(shí)出現(xiàn)的最高閾值顏色，直觀的展現(xiàn)單個(gè)設(shè)備的最高報(bào)警顏色。

根據(jù)檢修周期T的設(shè)定，軟件在巡檢欄與強(qiáng)檢欄處自動(dòng)彈出下一次檢修表格，提供操作工人現(xiàn)場填寫。檢修表格通過顏色變化反映現(xiàn)場人員填寫時(shí)間是否準(zhǔn)時(shí)。

圖5 基于狀態(tài)的煤礦大型固定設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)主界面

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在某煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，以該礦1#風(fēng)機(jī)水平振動(dòng)加速度參數(shù)為例說明系統(tǒng)的運(yùn)行效果。其中風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)段及振動(dòng)加速度狀態(tài)等級劃分如表3所示。圖7所示為數(shù)據(jù)歷史趨勢圖，系統(tǒng)在正式運(yùn)行至2017年11月3號期間均發(fā)生過不同程度的報(bào)警，但每次報(bào)警時(shí)間很短就恢復(fù)正常，同時(shí)頻譜圖形如圖7（a）正常圖譜，現(xiàn)場巡檢人員在系統(tǒng)報(bào)警后至現(xiàn)場根據(jù)電子巡檢表檢查也未發(fā)現(xiàn)異常，因此，判斷該情況是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，井下風(fēng)量、風(fēng)速變化導(dǎo)致的瞬時(shí)變化情況。

12月5號風(fēng)機(jī)倒機(jī)運(yùn)行，如圖6所示在線參數(shù)呈上升趨勢，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)逐步趨向危險(xiǎn)，同時(shí)頻譜圖形顯示為非正常譜圖（圖7（b）），基頻發(fā)生移位現(xiàn)象。系統(tǒng)報(bào)警狀態(tài)持續(xù)1天后，現(xiàn)場巡檢人員在12月7號進(jìn)行停機(jī)檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸承已經(jīng)損壞，避免了一次重大事故的發(fā)生。

圖6 振動(dòng)加速度歷史趨勢圖

圖7 頻譜圖

表3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)段及振動(dòng)狀態(tài)等級劃分

4 結(jié) 論

1）基于狀態(tài)的設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)是通過自動(dòng)化采集與評估、人工采集與評估、可靠性評估、故障統(tǒng)計(jì)4個(gè)模塊全面掌控設(shè)備信息。狀態(tài)評估方法對運(yùn)行設(shè)備劃分五種狀態(tài)等級，同時(shí)綜合人工巡檢強(qiáng)檢以及壽命預(yù)測方法，彌補(bǔ)在線采集過程中可能出現(xiàn)的誤判，為設(shè)備維護(hù)提供依據(jù)。通過某礦應(yīng)用后表明能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行隱患，實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備減人，最終達(dá)到部分設(shè)備“無人值守，有人巡檢”的目標(biāo)。

2）狀態(tài)評估閾值的初步設(shè)定可參考出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但由于相同設(shè)備運(yùn)行的工況不同，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精確劃分，仍需要大量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)積累。設(shè)備壽命預(yù)測是基于狀態(tài)的維護(hù)研究的核心內(nèi)容，本文使用的基于威布爾分布的壽命預(yù)測方法同樣需要大量歷史故障數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量越多則擬合的參數(shù)越接近實(shí)際，因此，該方法仍需要積累與研究，才能作為設(shè)備零部件維護(hù)、更換的依據(jù)，目前僅作為參考指標(biāo)使用。