基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

李旭， 吳雪菲， 田野， 董博， 黨恩輝

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院， 陜西 西安 710054；3.西安重工裝備制造集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710054；4.西安合智宇信息科技有限公司， 陜西 西安 710016)

0 引言

目前，從我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的趨勢及能源結(jié)構(gòu)分布來看，到2050年煤炭依然是我國的主體能源。在智能煤礦、智慧礦山建設(shè)的背景下，煤礦安全、高效、綠色、智能開采的理念需要綜采設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷與健康維護(hù)方面的技術(shù)強(qiáng)有力支撐[1]。綜采設(shè)備工作環(huán)境惡劣，在運(yùn)行時極易受到?jīng)_擊載荷、煤塵等的影響，故障時有發(fā)生，輕則影響煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員身亡。因此，研發(fā)基于云平臺的綜采設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，對其故障進(jìn)行在線診斷和預(yù)警，有助于預(yù)防綜采設(shè)備故障的發(fā)生和保障綜采設(shè)備安全運(yùn)行，對保證煤礦安全高效生產(chǎn)、提高維護(hù)效率和降低維護(hù)成本具有重要的現(xiàn)實意義。

在煤礦智能化的大背景下，煤礦設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷已經(jīng)成為研究熱點。馬昆[2]研究了綜采工作面“三機(jī)”故障診斷系統(tǒng)與信息化控制技術(shù)，并將其應(yīng)用到寧夏煤業(yè)棗全煤礦，實現(xiàn)了地面對 “三機(jī)”運(yùn)行工況的監(jiān)測與診斷。朱亞坤等[3]基于LabView軟件研發(fā)了由振動傳感器、溫度傳感器、監(jiān)測子站、監(jiān)測分站和監(jiān)測主站組成的選煤廠大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，有效保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。覃緩貴[4]設(shè)計了礦用離心通風(fēng)機(jī)故障診斷在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信模塊將監(jiān)測的信息遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測上位機(jī)，并根據(jù)診斷算法實現(xiàn)了礦用離心通風(fēng)機(jī)的在線故障診斷。針對主運(yùn)煤流線協(xié)同控制系統(tǒng)存在維護(hù)困難的問題,孔維社[5]開發(fā)了一種主運(yùn)煤流線協(xié)同控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷模塊，由地面集控室工程師或裝備制造企業(yè)研發(fā)人員分析并確認(rèn)故障原因，并通知巡檢人員排除故障。張大偉等[6]結(jié)合流媒體互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與設(shè)備管理技術(shù)，研發(fā)了帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)程視頻輔助維修系統(tǒng)，實現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)程輔助維修和信息化管理。張強(qiáng)等[7]為了實現(xiàn)對刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中的各項運(yùn)行參數(shù)的實時在線監(jiān)測及故障診斷，以組態(tài)軟件King20View為上位機(jī)開發(fā)平臺，開發(fā)了刮板輸送機(jī)遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。石瑞敏等[8]結(jié)合工況監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，構(gòu)建了現(xiàn)場總線、企業(yè)Intranet與遠(yuǎn)程Internet融合的提升設(shè)備管理系統(tǒng)，有效降低了設(shè)備故障率和提高了設(shè)備管理工作效率。王保德[9]針對現(xiàn)有提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)僅限于現(xiàn)場就地監(jiān)測，部分故障很難被及時發(fā)現(xiàn)并處理的問題，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的提升機(jī)群遠(yuǎn)程監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)，提高了故障診斷效率。楊一晴等[10]針對現(xiàn)有煤礦機(jī)械在線監(jiān)測與診斷技術(shù)未實現(xiàn)故障特征在線提取及故障類型自動識別的問題，設(shè)計了一種基于LabVIEW的煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障在線診斷及預(yù)警系統(tǒng)。高文[11]針對煤礦監(jiān)控類系統(tǒng)故障處理時效性低、現(xiàn)場維護(hù)工作量大、運(yùn)維成本高等問題，設(shè)計了一種煤礦監(jiān)控類系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障分析平臺。雷志鵬等[12]針對現(xiàn)有工作面輸送設(shè)備監(jiān)測與診斷系統(tǒng)只能在井下現(xiàn)場使用的問題,設(shè)計了一種基于LabVIEW的安裝于地面調(diào)度中心的輸送設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。張旭輝等[13]針對礦用設(shè)備現(xiàn)場維修知識和專業(yè)指導(dǎo)不足導(dǎo)致維修效率低、周期長等問題，設(shè)計了一種基于混合現(xiàn)實的礦用設(shè)備維修指導(dǎo)系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦用設(shè)備專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)維護(hù)。

綜上所述，目前主要開發(fā)了采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)等單機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，以及基于視頻或虛擬現(xiàn)實的專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)維護(hù)系統(tǒng)，而集云平臺、遠(yuǎn)程故障診斷和專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)維護(hù)于一體的設(shè)備群故障診斷系統(tǒng)鮮見報道?；诖?，本文設(shè)計了一種基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，可將綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、泵站和供電系統(tǒng)等設(shè)備群故障預(yù)警及時推送到手機(jī)移動端，并且可通過可視化視頻監(jiān)控為媒介，在綜采設(shè)備出現(xiàn)故障時，第一時間由工作面工作人員發(fā)送故障工單請求，服務(wù)中心將工單請求查看后實時轉(zhuǎn)接至對應(yīng)專家處，專家通過視頻信息遠(yuǎn)程指導(dǎo)井工人員進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，對有效降低綜采工作面設(shè)備群的故障率和保障綜采工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括云平臺、井下綜采設(shè)備群監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和地面遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)3個部分。首先通過振動、溫度、電流、電壓、壓力、流量、位移等傳感器采集綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、乳化液泵站、帶式輸送機(jī)及供電系統(tǒng)等的狀態(tài)監(jiān)測信息。然后通過RS485、以太網(wǎng)等通信總線和煤礦井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)/網(wǎng)關(guān)/分站將綜采設(shè)備群狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸?shù)骄戮C采設(shè)備群監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并通過煤礦井下環(huán)網(wǎng)將綜采設(shè)備群運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息傳輸?shù)降孛娣?wù)器，地面服務(wù)器對接收到的信息進(jìn)行智能故障診斷分析、數(shù)據(jù)存儲、報警、查詢等。最后通過MQTT協(xié)議將地面服務(wù)器的綜采設(shè)備群狀態(tài)監(jiān)測信息按照統(tǒng)一格式傳輸至云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及格式轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至移動端和通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)絇C端，從而實現(xiàn)綜采設(shè)備群的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測信息的可視化、故障查詢、故障報警等。

圖1 基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

2 遠(yuǎn)程故障診斷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)高效可靠傳輸技術(shù)

通過煤礦井下10 000 Mbit/s環(huán)網(wǎng)將綜采設(shè)備群狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)降孛娣?wù)器，并利用MQTT協(xié)議將地面服務(wù)器的綜采設(shè)備群狀態(tài)監(jiān)測信息可靠傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器通過MQTT協(xié)議與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠傳輸，手機(jī)移動端通過4G/5G進(jìn)行數(shù)據(jù)高效傳輸，如圖2所示。

圖2 基于云平臺的地面數(shù)據(jù)傳輸

本文選用MQTT協(xié)議實現(xiàn)信息可靠傳輸，MQTT協(xié)議可用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，可為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具有開源、可靠、輕巧、簡單的特點，從而確保了信息可靠傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)分類存儲技術(shù)

基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)建立了單獨的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，將采集到的綜采設(shè)備群運(yùn)行信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲。應(yīng)用Hadoop的數(shù)據(jù)倉庫Hive對分布式文件系統(tǒng)(Hadoop Distributed File System，HDFS)內(nèi)數(shù)據(jù)按照不同的綜采設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行分類存儲，如圖3所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過Sqoop(數(shù)據(jù)遷移工具)處理后按照設(shè)備、數(shù)據(jù)類型、時間節(jié)點進(jìn)行分類，并存儲到HDFS。該數(shù)據(jù)存儲技術(shù)不僅可以提高數(shù)據(jù)查詢能力，而且可對數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行動態(tài)在線擴(kuò)容，并可對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行二次備份和物理留存歷史數(shù)據(jù)，確保綜采設(shè)備群監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

圖3 基于Hive的數(shù)據(jù)分類存儲技術(shù)

2.3 專家遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)

專家遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)工作流程如圖4所示，其包括綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷平臺、專家智能決策系統(tǒng)和專家遠(yuǎn)程診斷平臺，由綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)判，并將分析得到的故障設(shè)備信息根據(jù)實際所需創(chuàng)建任務(wù)自動推送到專家智能決策系統(tǒng)，經(jīng)由專家確認(rèn)分析結(jié)果和工單可行性，確認(rèn)后反饋到專家遠(yuǎn)程診斷平臺。專家通過遠(yuǎn)程診斷平臺和視頻信息遠(yuǎn)程指導(dǎo)開展服務(wù)任務(wù)，專家遠(yuǎn)程診斷平臺軟件界面如圖5所示。專家根據(jù)專家智能決策系統(tǒng)決策后的故障診斷結(jié)果，通過視頻與語音通話方式與煤礦井下現(xiàn)場人員進(jìn)行溝通，指導(dǎo)現(xiàn)場人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

圖4 專家遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)工作流程

圖5 專家遠(yuǎn)程診斷平臺軟件界面

3 系統(tǒng)應(yīng)用

將基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用于陜西黃陵煤礦的綜采工作面，綜采設(shè)備群主界面監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，系統(tǒng)監(jiān)測到了采煤機(jī)左牽引電動機(jī)、右截割電動機(jī)、右牽引電動機(jī)和主油泵電動機(jī)電流超限了，發(fā)出了超限預(yù)警，實際為采煤機(jī)右滾筒截割到巖石，導(dǎo)致右截割負(fù)載和牽引負(fù)載增加，監(jiān)測結(jié)果與實際一致。需要通過降低牽引速度來降低牽引和截割電流，否則容易導(dǎo)致截割電動機(jī)和牽引電動機(jī)燒壞，從而避免了采煤機(jī)電動機(jī)故障的發(fā)生。

圖6 綜采設(shè)備群主界面監(jiān)測結(jié)果

帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板輸送機(jī)電動機(jī)電流、減速器油溫等參數(shù)監(jiān)測結(jié)果如圖7所示，該系統(tǒng)實現(xiàn)了綜采“三機(jī)”電動機(jī)電流和減速器油溫等參數(shù)的在線監(jiān)測和信息分析處理。監(jiān)測結(jié)果表明，綜采“三機(jī)”電動機(jī)電流和減速器油溫等參數(shù)都沒有超標(biāo)，運(yùn)行正常，診斷結(jié)果與實際運(yùn)行結(jié)果一致。

圖7 綜采“三機(jī)”監(jiān)測結(jié)果

水泵和乳化液泵的供液系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，實現(xiàn)了供液系統(tǒng)溫度、壓力、電流等參數(shù)實時監(jiān)測和信息分析處理。從圖8可看出，供液系統(tǒng)的溫度、壓力、電流等參數(shù)都沒有超標(biāo)，供液系統(tǒng)運(yùn)行正常，診斷結(jié)果與實際運(yùn)行情況一致。

圖8 供液系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果

綜采工作面液壓支架立柱壓力和推移行程監(jiān)測結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)實現(xiàn)了綜采工作面液壓支架立柱壓力和推移行程的實時監(jiān)測。通過立柱壓力和推移行程傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能夠?qū)崿F(xiàn)液壓支架液壓系統(tǒng)和油缸行程傳感器的故障診斷。從圖9可看出，液壓系統(tǒng)壓力正常，即液壓支架液壓系統(tǒng)工作正常。第10、46、53、54、55、137、138、147、153、157、159、163、165架液壓支架行程傳感器缺失，說明以上液壓支架推移油缸行程傳感器發(fā)生了故障，實際也是以上液壓支架推移油缸行程傳感器發(fā)生了故障，診斷結(jié)果與實際一致。

圖9 液壓支架立柱壓力和推移行程監(jiān)測結(jié)果

綜采工作面設(shè)備群手機(jī)移動平臺監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，用戶通過服務(wù)終端APP可實時查看控制臺、煤機(jī)區(qū)、主運(yùn)輸、泵站區(qū)和支架組等綜采設(shè)備群運(yùn)行狀態(tài)信息和故障預(yù)警信息。通過手機(jī)移動平臺可實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備群運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障預(yù)警信息的及時推送。

圖10 綜采設(shè)備群手機(jī)端監(jiān)測結(jié)果

專家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)應(yīng)用如圖11所示，遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)監(jiān)測到采煤機(jī)搖臂滾筒處軸承溫度超標(biāo)，專家通過故障預(yù)警信息、歷史故障信息和井下人員反饋情況綜合分析后確定為搖臂滾筒處軸承故障。專家通過遠(yuǎn)程故障診斷平臺的視頻和語音遠(yuǎn)程指導(dǎo)井下人員進(jìn)行維修，有效提高了維護(hù)效率。

圖11 專家遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)應(yīng)用

黃陵煤礦綜采工作面應(yīng)用基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)后，將綜采工作面設(shè)備運(yùn)維工作由人工巡檢出現(xiàn)故障后維修提升為實時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)了故障預(yù)防與故障及時報警，有效避免了因局部部件損傷導(dǎo)致的大部件整體故障，降低了綜采設(shè)備群非計劃停機(jī)次數(shù)。黃陵煤礦綜采工作面應(yīng)用該故障診斷系統(tǒng)后，設(shè)備故障率大大降低了，提高了生產(chǎn)效率，由原來年產(chǎn)300萬t煤提高到約390萬t煤，生產(chǎn)效率提高了約30%。另外，該系統(tǒng)可以自動記錄設(shè)備故障生成過程中的全部數(shù)據(jù)，為揭示故障產(chǎn)生的原因、部位提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果有針對性制定維護(hù)措施和專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)維護(hù)。

4 結(jié)語

針對綜采工作面設(shè)備群故障診斷問題，設(shè)計了基于云平臺的綜采設(shè)備群遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，并在陜西黃陵煤礦綜采工作面進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了綜采工作面設(shè)備群的遠(yuǎn)程故障診斷，通過手機(jī)移動平臺可以實現(xiàn)綜采工作面設(shè)備群運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測和故障預(yù)警信息的及時推送，降低了綜采工作面設(shè)備群的故障率和非計劃停機(jī)次數(shù)，生產(chǎn)效率提高了約30%。另外，專家通過遠(yuǎn)程故障診斷平臺和視頻信息，可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)程指導(dǎo)井工人員進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)，對提高綜采設(shè)備維護(hù)效率、減輕維護(hù)人員勞動強(qiáng)度、降低維護(hù)成本和保障綜采工作面設(shè)備安全高效生產(chǎn)具有重要意義。