機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)的探索與實(shí)踐

陳芳CHEN Fang

（寧夏安全監(jiān)督管理局，銀川 750000）

0 引言

在煤礦行業(yè)中，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備被廣泛使用，例如井下的皮帶機(jī)，該類大型機(jī)電裝備重要程度高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、多數(shù)設(shè)備無備用機(jī)組，在煤炭生產(chǎn)中的地位尤其重要，且由于煤炭生產(chǎn)的特性，要求主要機(jī)械設(shè)備連續(xù)、可靠、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

為達(dá)到此要求，可通過在設(shè)備核心部位和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)增加傳感和數(shù)據(jù)采集裝置，綜合利用新一代信息、網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)搭建機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、深度挖掘，可實(shí)現(xiàn)煤礦核心設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的預(yù)診斷，為設(shè)備的精準(zhǔn)檢修維護(hù)保養(yǎng)提供保障。

1 背景及研究意義

自2020 年以來，國家發(fā)改委、國家能源局等8 部委聯(lián)合頒發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出將人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)利用深度融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)。

煤炭開采離不開設(shè)備，設(shè)備是煤炭開采生產(chǎn)力的命脈。煤炭設(shè)備眾多，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境因素極其復(fù)雜多變。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或者損傷將直接影響到煤礦的正常生產(chǎn)，更甚者會(huì)導(dǎo)致人員的傷亡、財(cái)產(chǎn)的損失。

機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)的推進(jìn)，將設(shè)備運(yùn)維方式從“點(diǎn)檢定修”變革到“預(yù)測(cè)性維護(hù)”，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)的智能決策，針對(duì)設(shè)備故障類型以及機(jī)組自身特性，通過基于設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)的機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息展示、故障預(yù)警、故障診斷、統(tǒng)計(jì)分析、智能決策以及系統(tǒng)管理，同時(shí)提供相關(guān)數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能，達(dá)到對(duì)煤礦主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)診斷、決策，以便針對(duì)性地指導(dǎo)檢維修。

2 系統(tǒng)研究方法和技術(shù)路線

機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)及獨(dú)立的分層服務(wù)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析及應(yīng)用。系統(tǒng)核心是基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)，及時(shí)獲取有效、完整、一致的狀態(tài)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過新增監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備末端布置的各類傳感神經(jīng)進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)包括設(shè)備振動(dòng)、溫度、液壓、電氣、電流等多源數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過界面展示與用戶交互操作。設(shè)備管理員和云端的工程師利用系統(tǒng)反饋的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析并給出有效的指導(dǎo)性意見，通過系統(tǒng)可視化的展現(xiàn)和實(shí)時(shí)信息推送檢修方案指導(dǎo)檢維修作業(yè)。

本系統(tǒng)主要研究方法和技術(shù)路線是針對(duì)設(shè)備故障類型以及機(jī)組自身特性，對(duì)采集的數(shù)據(jù)類型、質(zhì)量、分辨率、采集密度提出具體數(shù)據(jù)質(zhì)量和密度等相關(guān)要求，具體研究以下內(nèi)容：

2.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)

本系統(tǒng)主要研究方法和技術(shù)路線是針對(duì)設(shè)備故障類型以及機(jī)組自身特性，對(duì)采集的數(shù)據(jù)類型、質(zhì)量、分辨率、采集密度提出具體數(shù)據(jù)質(zhì)量和密度等相關(guān)要求，具體如下：①完整性：設(shè)備及部件的軸承、齒輪等部件位置均能有效獲取振動(dòng)數(shù)據(jù)，并保證較好的分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。②同步性：全通道同步采集，所有測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)類型一致，保證雖部件類型不同，轉(zhuǎn)速不同可建立在同一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較。③采集密度：故障也存在緩變、快變、突變等故障類型，采集密度需圍繞故障類型進(jìn)行。④誤信號(hào)識(shí)別：針對(duì)系統(tǒng)自身傳感器異常等產(chǎn)生的誤信號(hào)，自動(dòng)濾除，不上傳。⑤經(jīng)濟(jì)可靠性：方案力求實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠，設(shè)備選型先進(jìn)、成熟，盡量減少對(duì)生產(chǎn)的影響，確保改造風(fēng)險(xiǎn)最小。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)點(diǎn)布置符合相關(guān)原則：完整性、信號(hào)方向性、兼顧性、傳遞距離、結(jié)構(gòu)等特性。它們包含有水平、軸向、垂直三個(gè)方向，分散在軸系方向，徑向正交布置在主軸和行星輪級(jí)。①完整性：整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)保證三個(gè)方向：H、V、A 有測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)三個(gè)方向上的振動(dòng)特征。②方向性、兼顧性說明：對(duì)于方向的選擇有相應(yīng)有先后順序，H、A、V，且水平向在轉(zhuǎn)軸位置水平中分面位置對(duì)信號(hào)更敏感。③傳遞距離特性：有些部件振動(dòng)的獲取需要通過傳遞才能獲得，傳感器的位置越靠近軸承或齒輪的位置越好。④結(jié)構(gòu)特性：主軸每個(gè)軸承座及發(fā)電機(jī)每個(gè)軸承座必須至少有一個(gè)傳感器用于軸承的監(jiān)控，且要有相應(yīng)軸向方向的監(jiān)控。對(duì)于齒輪箱結(jié)構(gòu)，每一級(jí)增速必須有一個(gè)監(jiān)控傳感器。

2.3 設(shè)備狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)

具體見表1。

表1 設(shè)備狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)表

3 系統(tǒng)控制原理與架構(gòu)

機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)設(shè)備核心部位和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)增加傳感和數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、深度挖掘，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)上傳至上一級(jí)的核心服務(wù)器，借助專業(yè)邏輯算法進(jìn)行處理和分析。

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警提示，報(bào)警提示信息通過短信、郵件、手機(jī)APP 等方式分類分級(jí)推送相對(duì)應(yīng)的主管設(shè)備管理員。設(shè)備管理員和云端的工程師可通過軟件中的分析工具對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤回溯，判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，也可通過智能型專家?guī)熘С謱?shí)現(xiàn)云端故障診斷，幫助現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)的確定設(shè)備故障類型、原因分析、破壞程度、壽命評(píng)估等，為運(yùn)維檢修決策提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為物聯(lián)網(wǎng)層、數(shù)據(jù)分析層和云診斷中心。根據(jù)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的不同，采取不同的監(jiān)測(cè)方式，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖見圖1。

3.1.1 物聯(lián)網(wǎng)層：智能感知、獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況的差異，可以有選擇性、有針對(duì)性地采集設(shè)備運(yùn)行的振動(dòng)、溫度等數(shù)據(jù)，也可集成現(xiàn)場(chǎng)已有各類傳感器、儀器儀表及控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以特定通訊協(xié)議接入現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Ronds EPM 中。

傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用有線方式連接，采集系統(tǒng)通過有線傳輸方式，通訊站采用Wifi、光纖等方式，將數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場(chǎng)局域環(huán)網(wǎng)，存儲(chǔ)到服務(wù)器中。

3.1.2 數(shù)據(jù)分析層：Ronds EPM 機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)

機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)需在現(xiàn)場(chǎng)配套一臺(tái)服務(wù)器，用于管理、存放、回看從采集系統(tǒng)反饋的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)人員可使用系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等統(tǒng)一管理、分析，以達(dá)到了解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的目的。

3.1.3 云診斷中心：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、容災(zāi)備份

服務(wù)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)依靠公網(wǎng)與云端遠(yuǎn)程診斷中心實(shí)時(shí)交互，一方面可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地備份，容災(zāi)容錯(cuò)，另一方面，可以借助容知云診斷中心的數(shù)據(jù)分析專家以及專家系統(tǒng)協(xié)助判斷設(shè)備狀態(tài)。使用容知遠(yuǎn)程診斷服務(wù)，可使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)工作更加從容，報(bào)警信息處理和數(shù)據(jù)分析結(jié)果更及時(shí)、準(zhǔn)確。

3.2 系統(tǒng)平臺(tái)搭建與架構(gòu)

3.2.1 系統(tǒng)平臺(tái)及整體架構(gòu)

機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)能夠滿足設(shè)備管理人員和運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和各類故障精準(zhǔn)判斷的要求。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分類分級(jí)管理，設(shè)定了普通用戶和專業(yè)用戶的權(quán)限，普通用戶可通過軟件查看設(shè)備健康狀態(tài)、設(shè)備啟停狀態(tài)以及設(shè)備報(bào)警、故障等整體情況，專業(yè)人員可根據(jù)設(shè)備報(bào)警信息、故障類型數(shù)據(jù)及有效的數(shù)據(jù)分析對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷和處理。

軟件界面分為五大模塊：首頁、綜合分析、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、系統(tǒng)配置和系統(tǒng)自診斷。軟件整體架構(gòu)如圖2 所示。

3.2.2 系統(tǒng)主頁總覽

管理人員可以通過總覽實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)了解設(shè)備目前報(bào)警狀況、診斷故障情況，有效保障運(yùn)保工作的進(jìn)行。見圖3。

3.2.3 設(shè)備信息一覽

管理人員通過設(shè)備信息一覽可以查看設(shè)備的基礎(chǔ)信息、健康狀態(tài)、體檢報(bào)告、故障報(bào)告以及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，見圖4。

3.2.4 設(shè)備綜合分析

綜合分析的設(shè)備信息模塊，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的診斷分析，可以查看或操作設(shè)備報(bào)警、體檢、案例、診斷報(bào)告等，并可顯示為監(jiān)測(cè)模式。

3.2.5 設(shè)備綜合分析

通過在現(xiàn)場(chǎng)部署智能算法，可以確保機(jī)組能夠得到安全有效的監(jiān)控，并以可視化、語音提醒和短信推送等方式通知相關(guān)人員予以關(guān)注，實(shí)現(xiàn)機(jī)組異常的智能巡檢，見圖5。

3.2.6 智能診斷分析

通過在現(xiàn)場(chǎng)部署智能算法，可以確保機(jī)組能夠得到安全有效的監(jiān)控，并以可視化、語音基于分析過程中多設(shè)備、多通道對(duì)比等途徑，對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能診斷分析（見圖6）。幫助診斷工程師更高效地判斷設(shè)備異常，保障設(shè)備運(yùn)行無憂。

4 系統(tǒng)應(yīng)用前景與效益分析

實(shí)現(xiàn)在煤礦搭建基于設(shè)備狀態(tài)變化趨勢(shì)的機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)，有利于在保持最大產(chǎn)能的條件下，提高設(shè)備管理水平，并有效提高設(shè)備可靠性、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障工人的人身安全，實(shí)現(xiàn)安全、生產(chǎn)、成本、效益的最優(yōu)化。

煤礦機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)利用新一代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決設(shè)備各類數(shù)據(jù)采集和上傳問題，通過智能算法和人工判斷相互融合的方式，實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)判斷及智能告警，保證了反應(yīng)時(shí)間。避免因設(shè)備突發(fā)故障無法發(fā)現(xiàn)和處理造成的人員傷亡事故和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)的損失，為企業(yè)安全生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)支撐。可在煤炭行業(yè)甚至其它行業(yè)廣泛推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文分析了煤礦機(jī)電設(shè)備在線診斷及健康管理系統(tǒng)在煤礦設(shè)備管理方面的應(yīng)用。通過將煤礦機(jī)電設(shè)備管理分析技術(shù)引入煤礦設(shè)備安全管理領(lǐng)域，利用新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、智能算法和人工診斷分析相配合等方式，實(shí)現(xiàn)煤礦主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)判斷及未來狀態(tài)預(yù)測(cè)。本系統(tǒng)的成功應(yīng)用，提高了煤礦安全生產(chǎn)保障水平，促進(jìn)了煤礦信息化、智能化發(fā)展。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備安全管理具有重要且深遠(yuǎn)的意義，將有利于推動(dòng)未來煤礦機(jī)電設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。