帶式輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張學(xué)舜

（汾西礦業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，山西 介休 032000）

引言

帶式輸送機(jī)作為一種依靠電機(jī)帶動、摩擦驅(qū)動且能夠連續(xù)進(jìn)行煤炭運(yùn)輸?shù)臋C(jī)電設(shè)備，其工作原理簡單、工作性能可靠、運(yùn)輸效率高、適應(yīng)范圍廣，在我國各大礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，且認(rèn)可度較高。隨著煤炭行業(yè)對安全生產(chǎn)工作的重視程度越來越高，以及礦井機(jī)電設(shè)備對于實(shí)現(xiàn)自動化和集中化控制的需求，近年來，各大煤礦持續(xù)對主要用電設(shè)備實(shí)施變頻節(jié)能改造、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)改造、自動化和集中化控制改造等，并對輸送機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)等提出了新的要求和標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。本文針對礦井常用的DSJ 系列帶式輸送機(jī)展開研究，構(gòu)建輸送機(jī)監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)，并展開工業(yè)性試驗(yàn)及應(yīng)用效果分析，實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，對各類故障進(jìn)行預(yù)警并指導(dǎo)完成故障處置。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

目前，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求帶式輸送機(jī)運(yùn)行必須配備六大保護(hù)系統(tǒng)，普遍應(yīng)用了安全監(jiān)控系統(tǒng)，部分實(shí)施了變頻軟啟動改造，但經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析及相關(guān)文獻(xiàn)檢索[5-7]，分析認(rèn)為目前井下帶式輸送機(jī)還存在以下問題：

1）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)未全面覆蓋。帶式輸送機(jī)運(yùn)輸線路長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工藝復(fù)雜、運(yùn)輸量不均衡、設(shè)備負(fù)荷變化大，常規(guī)監(jiān)控及保護(hù)系統(tǒng)只覆蓋了重點(diǎn)區(qū)域，如機(jī)頭處、機(jī)尾處、轉(zhuǎn)載點(diǎn)處，但對設(shè)備系統(tǒng)的全面感知不足，缺乏對皮帶接頭、振動處、滾筒等關(guān)鍵部位的監(jiān)測與保護(hù)，且監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性、完整性、真實(shí)性、實(shí)時性不足，為設(shè)備保護(hù)及故障診斷提供決策支持不足。

2）帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率不高。雖然各大煤礦持續(xù)對主要用電設(shè)備實(shí)施變頻節(jié)能改造，但目前帶式輸送機(jī)的變頻改造往往只是實(shí)現(xiàn)了軟啟動和自動啟停，很少能夠真正實(shí)現(xiàn)根據(jù)皮帶上的運(yùn)煤量來調(diào)節(jié)運(yùn)行速度和電機(jī)功率，造成電能的無效浪費(fèi)，同時也造成設(shè)備的無謂磨損和壽面縮減。

3）運(yùn)行工況差、故障率高。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，得出帶式輸送機(jī)的故障類型主要包括皮帶部分故障、驅(qū)動部分故障、張緊部分故障、滾筒部分故障、控制系統(tǒng)故障、監(jiān)控系統(tǒng)故障、異常停機(jī)故障等類型，細(xì)分故障項(xiàng)目類型數(shù)量更多，部分故障可由目前的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)識別，處置難度不大，更多的故障發(fā)生在監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)之外，識別難度大，處置起來極為困難，影響礦井的正常生產(chǎn)節(jié)奏。

總的來說，當(dāng)前我國礦井帶式輸送機(jī)整體管理運(yùn)行模式較為粗放，設(shè)備仍未脫離粗大笨重的傳統(tǒng)印象，運(yùn)行效率不高，節(jié)能性差，故障率居高不下，運(yùn)行信息的獲取、分析、反饋能力差，而且供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)互相獨(dú)立，或者僅做到了簡單化集成，故障識別及處置程序被動，而且也造成了故障率增大，亟待進(jìn)行升級改造。

2 監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在當(dāng)前帶式輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，新設(shè)計(jì)的監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)應(yīng)是一個具備高度集成化、信息化、智能化，以及具備良好人機(jī)交互性能的整體系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)思路應(yīng)遵循以下3 個方面：

1）能夠全面感知設(shè)備的工作狀態(tài)。除了六大保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能以外，系統(tǒng)還應(yīng)增加對各滾筒、設(shè)備平衡性、皮帶接頭、急停鋼絲繩等部位的全面監(jiān)測，還能夠動態(tài)獲取設(shè)備振動、關(guān)鍵部位溫度、油液量、電力參數(shù)等信息，可創(chuàng)新性地利用視頻技術(shù)，對煤流量、堆煤情況進(jìn)行監(jiān)測，參數(shù)實(shí)時上傳控制中心，經(jīng)處理再反饋出設(shè)備是否正常運(yùn)行、各部件是否發(fā)生損壞、損壞的嚴(yán)重程度等。

2）能夠提供故障識別及處置支持。故障診斷工作應(yīng)作為專家系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，也是最具備實(shí)用性的功能之一。思路是通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)獲取的各類運(yùn)行參數(shù)信息，與正常的工作參數(shù)進(jìn)行比對，從而判斷出設(shè)備是否在正常運(yùn)行，是否出現(xiàn)了系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的故障，如果存在故障，能夠識別故障的類型、位置、起因等，并基于專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對故障進(jìn)行預(yù)警、提供處置方案等。

3）能夠助力實(shí)施設(shè)備維護(hù)及管理。礦井機(jī)電設(shè)備使用管理及維護(hù)工作至關(guān)重要，由專家系統(tǒng)對設(shè)備的全壽命周期進(jìn)行管理，對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息、完好情況、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理，并按照預(yù)設(shè)周期及實(shí)時情況進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理預(yù)警。

2.2 專家系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。系統(tǒng)架構(gòu)主要包括任務(wù)管理及調(diào)度模塊、云計(jì)算基礎(chǔ)平臺模塊、皮帶輸送機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊、線下設(shè)備數(shù)據(jù)管理模塊等。其工作模式及流程設(shè)計(jì)為：由皮帶輸送機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行視頻監(jiān)控并獲取設(shè)備在線狀態(tài)數(shù)據(jù)，故障預(yù)警則為數(shù)據(jù)上傳處理后的反饋行為；由線下設(shè)備數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行設(shè)備建檔，管理設(shè)備缺陷信息、檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障診斷數(shù)據(jù)，并對運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄；數(shù)據(jù)獲取后實(shí)時上傳至云計(jì)算基礎(chǔ)平臺，內(nèi)置海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、各數(shù)據(jù)服務(wù)集群等；在云計(jì)算基礎(chǔ)平臺之上，再進(jìn)行皮帶輸送機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，基于算法調(diào)度，進(jìn)行任務(wù)管理及調(diào)度控制，最終進(jìn)行皮帶輸送機(jī)狀態(tài)診斷、預(yù)測估計(jì)、狀態(tài)評估、風(fēng)險(xiǎn)評估、檢修策略制定及檢修維護(hù)等各項(xiàng)工作。

圖1 監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 工況監(jiān)測及故障診斷流程

帶式輸送機(jī)通過各大保護(hù)系統(tǒng)及故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)施皮帶跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超溫等各項(xiàng)保護(hù)。其中，跑偏監(jiān)測及保護(hù)是在輸送機(jī)上安裝跑偏傳感器，當(dāng)傳感器識別的角度達(dá)到跑偏預(yù)設(shè)值時，立即停車保護(hù)；防滑保護(hù)是通過監(jiān)測滾筒轉(zhuǎn)速與皮帶運(yùn)行速度，其速度差作為判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)滑差率超過8%時就觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，打滑超過20 s 時就緊急停車，滑差率超過12%時5 s 即緊急停車；堆煤保護(hù)傳感器設(shè)置在落煤點(diǎn)上方，堆煤增多時傳感器發(fā)生傾斜，觸發(fā)緊急停車操作；皮帶撕裂是通過皮帶內(nèi)置的縱撕線圈傳感器，并在兩側(cè)安裝發(fā)射器和接收器裝置，收發(fā)信號并進(jìn)行耦合處置，作出報(bào)警和急停動作；對其余各項(xiàng)工況監(jiān)測及故障診斷均設(shè)計(jì)了完備的工作流程。

3 工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

根據(jù)監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)，研發(fā)出KJ161 型礦井帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、各類控制開關(guān)、各類保護(hù)傳感器、信號中轉(zhuǎn)站、通用I/O 接口、傳輸信號線等組成。線路上，每隔100 m 設(shè)置一個急停閉鎖裝置，每100 m 安裝一處警報(bào)及通信裝置，各分站與監(jiān)控主機(jī)之間通過CAN 總線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時傳輸。同時，監(jiān)控主機(jī)設(shè)置有計(jì)算機(jī)并安裝了人機(jī)交互軟件，能夠顯示系統(tǒng)的工作信息并進(jìn)行人機(jī)交互，工作截面如圖2 所示。

圖2 KJ161 型監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面

利用停產(chǎn)檢修時間，在礦井掘進(jìn)工作面單部帶式輸送機(jī)上進(jìn)行了KJ161 型監(jiān)控系統(tǒng)的改造安裝及應(yīng)用。系統(tǒng)基于各類精準(zhǔn)傳感器、高效的數(shù)據(jù)傳輸及處理，有效預(yù)防了膠帶打滑、跑偏、撕裂、超溫等機(jī)電事故發(fā)生，還能夠?qū)Πl(fā)生的各類故障進(jìn)行預(yù)警及處置提示，對減速箱油位、軸承磨損情況、潤滑情況等進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)提示，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，對于延長設(shè)備使用壽命、提高生產(chǎn)安全系數(shù)效果十分顯著。

4 結(jié)語

礦井機(jī)電設(shè)備使用維護(hù)管理及監(jiān)測監(jiān)控管理工作至關(guān)重要，是提高礦井生產(chǎn)效益，保障安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。在對礦井帶式輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及架構(gòu)設(shè)計(jì)，并研發(fā)出KJ161 型礦井帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠提高礦井機(jī)電設(shè)備的自動化控制水平，大大簡化帶式輸送機(jī)操作流程，同時，可以顯著提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，對帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的各類故障進(jìn)行預(yù)警及處置提示，還可以將設(shè)備的被動維修轉(zhuǎn)化為日常的定期保養(yǎng)維護(hù)，降低設(shè)備故障率，延長使用壽命，安全生產(chǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。