掘進(jìn)機(jī)機(jī)電故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的研究

劉一郎

（晉能控股集團(tuán)成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的核心，其掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。由于煤礦井下巷道綜采環(huán)境惡劣而且掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在長(zhǎng)期高塵、高振動(dòng)沖擊作用下，掘進(jìn)機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)極易受到損壞。目前對(duì)于掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的故障主要采取人工排查修復(fù)的方案，不僅非常依賴維護(hù)人員的專業(yè)素質(zhì)而且井下惡劣的環(huán)境也加大了故障排除的難度，嚴(yán)重影響了煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的正常進(jìn)行。

結(jié)合自動(dòng)故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，以及掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)際情況，提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)機(jī)電故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)。其通過(guò)搭建掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)巡檢和故障分析邏輯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，一旦機(jī)電系統(tǒng)出現(xiàn)異常該自動(dòng)診斷系統(tǒng)能夠進(jìn)行故障定位和故障原因分析，為快速解決故障提供技術(shù)支持。根據(jù)在掘進(jìn)機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用表明，新的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到了98.3%，同時(shí)通過(guò)故障自動(dòng)定位和分析，能夠?qū)⒐收吓懦龝r(shí)間縮短97.1%，為提升掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和掘進(jìn)效率奠定了基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)

以EBZ315 掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，其機(jī)電系統(tǒng)共包含了4 組控制電機(jī)，第一組用于控制液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)搖臂升降的控制；第二組用于控制除塵驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)除塵裝置的控制；第三組用于控制截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)截割機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制；第四組用于控制轉(zhuǎn)載電機(jī)，將截割的煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)出去。同時(shí)系統(tǒng)還需要控制液壓系統(tǒng)中各類電磁閥的開(kāi)合，保證截割作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性。

整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中，需要有過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)等功能，滿足掘進(jìn)機(jī)在不同截割作業(yè)狀態(tài)下的自動(dòng)控制需求，是確保掘進(jìn)機(jī)正常掘進(jìn)作業(yè)的核心，因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)故障判斷就需要實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)中所有控制流程信號(hào)的全面監(jiān)測(cè)和判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行異常信號(hào)的快速捕捉和確認(rèn)，該掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障分類方案

掘進(jìn)機(jī)故障分析是該控制系統(tǒng)的核心，直接決定了該系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)常見(jiàn)故障的匯總分析，其主要故障類型包括了掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障、傳感器故障和系統(tǒng)通信故障。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障主要包括電機(jī)過(guò)熱故障、過(guò)流故障、缺相故障等，首先對(duì)掘進(jìn)機(jī)正常工作時(shí)各電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，獲取其正常工況下電機(jī)的工作溫度、運(yùn)行電流、電壓等數(shù)值，根據(jù)對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)的綜合測(cè)定，獲取各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的正常數(shù)值范圍。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)電流、電壓傳感器對(duì)各電機(jī)的電流和電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外溫度傳感器對(duì)電機(jī)的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞到PLC 控制中心，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，可以準(zhǔn)確判斷出電機(jī)是否出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)載、缺相、粘連等異常。然后將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸給監(jiān)控終端，通過(guò)過(guò)熱提示燈、過(guò)流提示燈、過(guò)載提示燈、缺相提示燈、粘連提示燈以及聲控系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。

傳感器常見(jiàn)的故障類型主要是監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸不良、傳感器信號(hào)異常等，因此在對(duì)傳感器故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)主要通過(guò)發(fā)送脈沖信號(hào)[2]的方法來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器電路的通斷情況，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，若監(jiān)測(cè)信號(hào)偏離系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍，則系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出故障報(bào)警，提醒維修人員進(jìn)行排查確認(rèn)。

由于煤礦井下地質(zhì)條件惡劣，因此對(duì)故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的要求很高，要求能夠在短時(shí)間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)還需要確保數(shù)據(jù)通信的安全和準(zhǔn)確。根據(jù)對(duì)通信故障類型的分析，目前常見(jiàn)的故障主要包括通信線故障、數(shù)據(jù)連接點(diǎn)錯(cuò)誤、電源不足等。因此在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了CAN 通信狀態(tài)分析儀[3]，對(duì)整個(gè)通信過(guò)程中的通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定時(shí)發(fā)出模擬信號(hào)，若分析儀能夠接收到數(shù)據(jù)信號(hào)，則說(shuō)明通信正常，若無(wú)法接收信號(hào)或者接收到的信號(hào)錯(cuò)誤，則說(shuō)明通信系統(tǒng)不正常，需要進(jìn)行排查處理。

3 故障診斷分析平臺(tái)

確定故障類型和故障排查方案后，系統(tǒng)的核心是故障分析平臺(tái)，各類故障信號(hào)均匯總在PLC 控制系統(tǒng)中，然后將數(shù)據(jù)信息傳遞到故障診斷分析平臺(tái)，對(duì)各類機(jī)電監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)最終故障類別并將分析結(jié)果顯示在監(jiān)測(cè)終端上，便于技術(shù)人員的及時(shí)跟進(jìn)處理。

EBZ315 掘進(jìn)機(jī)在井下巷道掘進(jìn)作業(yè)中，巷道的斷面寬度為4.6 m，平均斜度為6.4°，巷道掘進(jìn)的斷面積為16.4 m2，井下煤層直接頂為泥巖和砂巖的混合層，基本頂為砂巖，直接底為泥巖，應(yīng)用故障分析診斷系統(tǒng)對(duì)其工作中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行指示燈報(bào)警，便于實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和分析，該故障診斷分析平臺(tái)終端如圖2 所示[4]。

圖2 故障診斷分析平臺(tái)終端界面

由圖2 可知，該系統(tǒng)中，每種類型的故障均有對(duì)應(yīng)的顯示燈，出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)應(yīng)的顯示燈亮起，便于檢修人員進(jìn)行故障的快速定位和排除，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)的故障診斷準(zhǔn)確率高達(dá)98.3%。同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)定位和故障分析，能夠?yàn)闄z修人員提供第一手的故障資料，將故障排除時(shí)間縮短了97.1%，顯著地提升了煤礦井下掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

1）掘進(jìn)機(jī)的主要故障類型包括掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障、傳感器故障和系統(tǒng)通信故障。

2）通過(guò)溫度、電流和電壓監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)識(shí)別掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障。通過(guò)脈沖信號(hào)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)識(shí)別傳感器故障。通過(guò)CAN 通信狀態(tài)分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)故障診斷，診斷準(zhǔn)確率達(dá)98.3%，將故障排除時(shí)間縮短了97.1%，對(duì)提升掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。