礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究

秦 剛

（山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

提升機(jī)是大型的機(jī)組設(shè)備，組成系統(tǒng)的復(fù)雜性決定其故障發(fā)生的不確定性和故障形式的多樣化。一旦發(fā)生故障，不僅直接影響礦山的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)能力，并且會(huì)威脅到井下作業(yè)與管理人員的生命安全。在提升機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行中，故障的產(chǎn)生并不是單一出現(xiàn)的，一種故障經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致多種故障的出現(xiàn)。同一種故障征兆可能對(duì)應(yīng)幾種不同的故障原因，或者同一種故障原因又可能引起幾種不同的故障征兆。故障的發(fā)生呈現(xiàn)耦合狀態(tài)，可否正確找到故障源就格外重要。為此，作者研究了基于組態(tài)王平臺(tái)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。

2 提升機(jī)組成與常見故障

礦井提升機(jī)主要包括運(yùn)行系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、繩襯系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、操作和觀測(cè)系統(tǒng)等部分。通過資料查詢、現(xiàn)場(chǎng)收集以及試驗(yàn)測(cè)試等方法收集提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的常見故障，以多繩摩擦式提升機(jī)為例，用故障樹的形式表達(dá)常見故障如圖1 所示。

3 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、規(guī)則獲取和故障診斷系統(tǒng)。故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

（1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

利用研華的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為硬件主支撐、組態(tài)軟件KingView6.53 監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為軟件主支撐。一則通過 S7-300 PLC 的 I/ O 模塊直接讀取提升機(jī)狀態(tài)參數(shù)：二則通過PCI1713 板卡讀取加速度振動(dòng)傳感器的振動(dòng)信號(hào)，此傳感器安裝于提升機(jī)的軸承座上，從而完成數(shù)據(jù)的采集。

（2）故障診斷推理機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)采集的信息量常常含有不確定性、隨機(jī)性及模糊性，大多的數(shù)據(jù)是不需要的，是屬于冗余數(shù)據(jù)。有效地除去不需要的數(shù)據(jù)，獲得更符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更加簡單的有效決策規(guī)則，是故障診斷的關(guān)鍵。在決策信息系統(tǒng)中，有眾多的條件屬性，從這眾多的條件屬性中分析選取出需要的屬性就是屬性約簡。假設(shè)一個(gè)決策表中有N 個(gè)條件屬性，就會(huì)產(chǎn)生2N-1 個(gè)約簡結(jié)果，實(shí)際需要的只是其中一個(gè)最能表達(dá)決策意圖并且最簡單的那一種。進(jìn)行條件屬性約簡時(shí)，根據(jù)取不同的等價(jià)關(guān)系得到n 種約簡，其每個(gè)約簡對(duì)應(yīng)一個(gè)簡化的決策表，每個(gè)決策表約簡后會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的集合規(guī)則。利用粗糙隸屬度函數(shù)計(jì)算相應(yīng)規(guī)則計(jì)算置信度μ，當(dāng)μ＞=0.8 時(shí)，計(jì)入規(guī)則集，從而形成故障診斷知識(shí)庫。粗糙隸屬度函數(shù)如下。

設(shè)一個(gè)知識(shí)系統(tǒng)為S=（U，R） ，設(shè)iR R? ，X U? ，x U? ，則：

故障診斷流程如圖3 所示。

圖1 提升機(jī)組成以及常見故障

圖2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 故障診斷推理機(jī)圖

（3）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心部分是軟件系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，軟件的選用必須和硬件相符合，本系統(tǒng)選用組態(tài)王軟件作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本平臺(tái)，并結(jié)合 SQLServer 數(shù)據(jù)庫，完成了對(duì)礦井提升機(jī)故障的在線監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)有： 用戶登錄與管理功能、技術(shù)參數(shù)查詢功能、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)畫面功能、數(shù)據(jù)報(bào)表功能、在線故障診斷、報(bào)警記錄功能。

① 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)畫面功能：能夠真實(shí)地描繪現(xiàn)場(chǎng)，有實(shí)時(shí)曲線和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩種表達(dá)方式。能夠?qū)崟r(shí)地顯示提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括罐籠位置、速度、提升方向、制動(dòng)油壓、電機(jī)電流等，并與實(shí)際工作狀態(tài)同步。

② 數(shù)據(jù)報(bào)表功能：數(shù)據(jù)報(bào)表有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史數(shù)據(jù)報(bào)表功能，可實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印、打印預(yù)覽、報(bào)表設(shè)置、報(bào)表保存等功能，同時(shí)會(huì)以生成報(bào)表的形式送到診斷中心供參考?？蛇M(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，根據(jù)需要查詢內(nèi)容的起止時(shí)間和查詢間隔，從歷史庫中查詢指定變量的數(shù)據(jù)，填寫到指定的報(bào)表上，并可進(jìn)行保存與打印。

③ 報(bào)警記錄功能：當(dāng)監(jiān)測(cè)變量超出預(yù)定設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把報(bào)警記錄寫入報(bào)警界面中，生成報(bào)警記錄。同時(shí)報(bào)警燈從暗灰色變?yōu)榧t色，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。對(duì)提升機(jī)運(yùn)行具有監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面

4 試驗(yàn)研究

本文以坪上煤業(yè)副立井提升機(jī)為研究對(duì)象，模擬制動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)常見故障為樣本，故障用Di(i=1,2 ┈6)集合表示，故障征兆采用布爾型屬性值0 或者1，用來判別故障的有無發(fā)生，用Ci(i=1,2 ┈8)集合表示?，F(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)102 組，提取其中78 組成立故障決策表。故障樣本如表1 所示。

（1）故障樣本

表1 故障樣本

（2）決策表的創(chuàng)建，如表2 所示。

表2 決策表的創(chuàng)建

（3）條件屬性約簡，如表3 所示。

表3 條件屬性約簡表

（4）屬性值約簡，如表4 所示。

表4 屬性值約簡表

（5）約簡后最終決策表，并計(jì)算粗糙隸屬度，如表5 所示。

表5 約簡對(duì)應(yīng)決策表

選取置信度為0.8，由此得到有效選規(guī)則集合，故障的原因與位置較符合坪上煤業(yè)礦井提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。約簡對(duì)應(yīng)規(guī)則集如表6 所示。

表6 約簡對(duì)應(yīng)規(guī)則集

5 結(jié)論

本文將裝備故障診斷技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合起來，研究出一組基于組態(tài)王平臺(tái)的礦井提升機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)能真實(shí)地反映礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)了解和發(fā)現(xiàn)礦山設(shè)備是否出現(xiàn)故障。一旦出現(xiàn)故障，則及時(shí)采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生及事故帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，從而實(shí)現(xiàn)按狀態(tài)維修。