基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設備工況監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)

張雅楠 李飛 卞學平 韓志鑫 王璇 於思彤

摘?要：針對目前煤礦提升設備采集速率低、采集參數(shù)少，反饋不精確等問題，本文設計了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設備工況監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許技術人員通過互聯(lián)網(wǎng)遠程獲取設備的工況及故障診斷信息，可以極大地減少時間、金錢和技術人員精力的支出。同時，系統(tǒng)根據(jù)故障樹分析法，建立合理的報警信息數(shù)據(jù)庫，利用PLC和上位機的共同配合處理故障信息，從而提高工作效率，減少生產損失，為煤礦帶來可觀的經濟效益。

關鍵詞：工況監(jiān)測;智能診斷;云平臺;故障診斷

當今，隨著科學技術的進步，互聯(lián)網(wǎng)技術已滲透于生產與生活的方方面面，人們逐漸習慣于通過互聯(lián)網(wǎng)去獲取數(shù)據(jù)和信息。而“物聯(lián)網(wǎng)”是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的一個重要發(fā)展階段[1]。與此同時，礦產資源身為工業(yè)及人類生活的物質基礎，一直為人所重視。由于礦產資源的挖掘采集多為地下作業(yè)，井上與井下之間的運輸難免會發(fā)生各種突如其來的狀況。因此，提升設備運行狀況的好壞與否將直接影響著工人的生命和財產安全[2-4]。

目前，國內企業(yè)對于提升系統(tǒng)運行工況的監(jiān)測，仍然只是利用上位機對故障進行簡單的指示和記錄。而上位機監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率有限且參數(shù)較少，無法精確地判斷出故障的先后順序。因此在故障發(fā)生后，上位機的報警系統(tǒng)往往會同時出現(xiàn)多條記錄，無法幫助技術人員準確快速地排除故障，造成時間上的延誤。輕則造成煤礦的財產損失，重則危及到工人的人身安全，存在著許多弊端[5-7]。

針對目前煤礦提升系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)速率低、參數(shù)少、反饋不精確等問題，本文設計了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設備工況監(jiān)測和智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由故障監(jiān)測與智能診斷云平臺和首發(fā)故障檢測本地平臺兩部分組成。利用云平臺，技術人員可以不受時間和地點的限制，隨時對提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，同時利用云端服務器對于系統(tǒng)進行故障診斷;而首發(fā)故障檢測平臺則能夠第一時間記錄首發(fā)故障信息，然后通過云平臺通知技術人員，這樣可以極大地減少生產方時間、金錢和精力的支出。

1 故障監(jiān)測與智能診斷云平臺

隨著智能手機的普及，特別是近年來Wi-Fi、4G技術的飛速發(fā)展，以及即將到來的5G技術，都將移動互聯(lián)網(wǎng)推向了時代的最前沿。這也為基于云平臺的互聯(lián)網(wǎng)診斷系統(tǒng)的發(fā)展奠定了一定的基礎。本文提出的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)首先在云端通過B/S模式的網(wǎng)頁制作技術搭建工況監(jiān)測與故障診斷平臺;然后將提升系統(tǒng)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實時發(fā)送至云端服務器進行快速處理;最后通過客戶端即可對提升系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與故障診斷。

本系統(tǒng)的開發(fā)主要包括云服務器診斷中心和客戶端平臺兩部分內容。云服務器診斷中心的開發(fā)重點是用于接收和存儲上位機海量數(shù)據(jù)的云端數(shù)據(jù)庫以及故障診斷算法的開發(fā)。本系統(tǒng)充分利用了云服務器強大的數(shù)據(jù)處理能力，快速地分析接收到的海量數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化的故障診斷算法準確地提取出故障信息。系統(tǒng)客戶端的開發(fā)由本地服務器網(wǎng)頁端程序和移動端APP兩個部分組成。上位機將采集的海量數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送到云服務器診斷中心進行快速處理。同時本地客戶端與云服務器進行通訊，實時獲取云診斷中心處理過的監(jiān)測和診斷數(shù)據(jù)。通過這種方式就可以像處理本地數(shù)據(jù)一樣對遠程的提升設備進行在線監(jiān)測。此外，還可實現(xiàn)參數(shù)修改、程序編譯和下載等功能，相當于提供了24小時的專家級現(xiàn)場技術支持。完全不受空間、時間的限制，大大提高了工作效率。

2 首發(fā)故障檢測本地平臺

煤礦提升系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，往往會因為某一個故障的發(fā)生引發(fā)其他一系列故障報警。因此，如果系統(tǒng)能夠檢測出首先發(fā)生的故障，則大大有利于故障原因的排查，從而減少技術人員的工作量，提高生產效率。

本文提出的具有首發(fā)故障檢測、智能上位機監(jiān)控、高速數(shù)據(jù)采集和遠程服務功能的監(jiān)測系統(tǒng)采用了當今工控行業(yè)最先進的技術，包括：

·高速數(shù)據(jù)采集和分析軟件;

·基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程支持軟件;

·西門子公司SIMATIC系列軟件和網(wǎng)絡通訊硬件;

·基于西門子公司SIMATIC WINCC軟件開發(fā)的面向用戶的智能上位機監(jiān)控系統(tǒng);

·先進的首發(fā)故障檢測技術;

·系統(tǒng)集成技術和后臺技術支持系統(tǒng)。

首發(fā)故障檢測平臺可以實現(xiàn)首發(fā)故障源的智能判斷，并按照故障發(fā)生的先后順序自動排序。解決了現(xiàn)場故障出現(xiàn)后，故障源難以準確辨認的問題。智能上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子標準的組態(tài)軟件WINCC。其界面直觀友好，所有的故障均具備“信息三指示”功能，即準確指示故障信息的文字、故障對應的現(xiàn)場實際設備位置和故障對應的圖紙及程序位置，解決了現(xiàn)場故障指示不清晰問題。

此外，本系統(tǒng)還具有記錄故障停車時的制動距離、制動時間及制動前后的速度、行程、電流波形，并進行云端存儲和備份。采用云端數(shù)據(jù)存儲和備份，具有硬件投資少、性能可靠和可擴展性好等優(yōu)點，并且與云端故障監(jiān)測和診斷平臺完美融合。

首發(fā)故障檢測與智能診斷算法的主要關鍵技術有：

（1）首發(fā)故障的判斷;

（2）故障的分類：提升機系統(tǒng)的故障種類繁多，有PLC自身故障、外部設備硬件故障、內部程序軟件故障等，對故障進行合理的分類將對分析和處理故障有很大的幫助;

（3）故障樹分析：對系統(tǒng)失效進行細致分析（頂事件），逐層向下追究所有可能的原因，找出系統(tǒng)元件失效、環(huán)境影響、人為失誤及程序處理等硬件和軟件因素（底事件）與系統(tǒng)失效頂事件之間的邏輯關系;

（4）故障先進先出隊列的建立：故障按發(fā)生時間的先后順序進入隊列，然后由上位機將隊列中的故障按時間順序顯示出來;

（5）根據(jù)故障分類及故障樹分析法，建立合理的故障報警信息數(shù)據(jù)庫。

3 工況監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)的優(yōu)點

通過以上分析，該工況監(jiān)測與智能診斷系統(tǒng)可以在以下四個方面為用戶帶來益處：

（1）預防性維護。為降低設備失效或功能退化的概率，按預定的時間間隔或規(guī)定的標準進行維護。

（2）偶發(fā)性疑難故障排除。由外部環(huán)境偶發(fā)因素引起的故障，可通過存儲的數(shù)據(jù)及圖表進行一段時間或故障點前后幾個周期的跟蹤，分析出偶發(fā)問題因素進行整改;而積累性誤差引起的疑難故障，可采集較長時間的數(shù)據(jù)或圖形，對比期間變化，計算出結果進行排除。

（3）性能優(yōu)化。觀察運行曲線，對比相關參數(shù)，修正觸發(fā)信號的時效性，縮短運行周期，提高生產效率。

（4）運行記錄。本系統(tǒng)可以進行實時數(shù)據(jù)采集和存儲重要數(shù)據(jù)圖表，為遠程分析和遠程服務提供數(shù)據(jù)保證，同時也可作為事故分析的依據(jù)。此外，因為該系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)云服務開發(fā)的，所有數(shù)據(jù)同步在云端存儲，避免了數(shù)據(jù)損壞或者丟失問題。

4 結論

煤礦生產中，保障礦井提升設備正常工作是煤礦安全生產的關鍵環(huán)節(jié)。作為煤礦生產中的咽喉設備，本系統(tǒng)已實現(xiàn)預測精準度的提升和系統(tǒng)故障率的降低，同時還可以極大地提升系統(tǒng)工作效率。

參考文獻：

[1]孟勛.物聯(lián)網(wǎng)技術綜述[J].中國科技信息，2018（23）：46-47.

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[3]孫慧卿.基于行為安全管理的礦井提升系統(tǒng)安全管理研究[J].水力采煤與管道運輸，2019（02）：11-13.

[4]馬衍頌.擾動工況下深部礦井提升主繩多向耦合振動失穩(wěn)機理及抑制策略研究[D].中國礦業(yè)大學，2019.

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基金項目：江蘇師范大學大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（201810320109Y）

作者簡介：李飛，江蘇徐州人，博士，江蘇師范大學電氣學院講師，研究方向為電力電子與電力傳動。