洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李莉芳

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

洗煤廠設(shè)備繁多且分布范圍廣，人工點檢勞動強度大，且受經(jīng)驗、技術(shù)水平等條件的制約，易發(fā)生漏檢[1-2]。因此，在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)是洗煤廠設(shè)備智能化運行的重要保障之一[3-5]，同時也是國內(nèi)研究的熱點。蔡輝開發(fā)的洗煤廠機電設(shè)備參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對設(shè)備運行狀態(tài)的采集[6]，但是該系統(tǒng)只是實現(xiàn)洗煤廠設(shè)備運行參數(shù)的采集與數(shù)據(jù)集成。王晴晴等人開發(fā)了洗煤廠機械設(shè)備健康模式庫，是以EMD 分解為基礎(chǔ)，建立的正常狀態(tài)和異常狀態(tài)經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒至繋靃7]。白建等針對選煤廠振動篩異常振動、激振器軸承故障以及支撐彈簧故障等問題而設(shè)計了振動篩故障智能監(jiān)測系統(tǒng)，可在一定程度上提升振動篩運行保障能力[8]。

綜上所述，當(dāng)前洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)研究的重點集中在兩個方面：一是以參數(shù)集成為主導(dǎo)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以閾值預(yù)警為核心診斷技術(shù)；二是以洗煤廠某個設(shè)備為研究對象，應(yīng)用單一的方法實現(xiàn)該設(shè)備多種故障的診斷。這些研究成果促進(jìn)了洗煤廠故障診斷技術(shù)的發(fā)展，但是洗煤廠不同類型的設(shè)備在運行中具有不同運行特性、環(huán)境特性，且設(shè)備故障也越來越隱蔽，單一的方法并不能適用于洗煤廠所有設(shè)備的故障診斷需求。為此，本文針對洗煤廠不同種類的設(shè)備對故障診斷技術(shù)的不同需求，開發(fā)設(shè)計了一套洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

結(jié)合洗煤廠現(xiàn)場設(shè)備點檢與維護(hù)的特點，并考慮到智能化洗煤廠對設(shè)備安全可靠運行的要求，梳理出洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)的總體需求。

1）設(shè)備運行狀態(tài)信息的一站式查詢

隨著洗煤廠智能化的推進(jìn)，更多的設(shè)備運行狀態(tài)信息被不同的智能系統(tǒng)采集。這些信息從不同角度反映了設(shè)備的運行狀態(tài)，需要在同一個系統(tǒng)中，統(tǒng)一采集、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一分析，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)信息的一站式查詢。同時，將這些孤立的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使其具有較大的數(shù)據(jù)挖掘價值。

2）不同種類設(shè)備能夠配置專屬診斷模型

由于洗煤廠不同設(shè)備的運行特征及環(huán)境特征不同，必須摒棄一種故障診斷模型可以診斷所有不同設(shè)備故障的“萬能方法”思想。針對設(shè)備的運行特征和環(huán)境特征，開發(fā)專屬設(shè)備故障診斷模型，并可以實現(xiàn)靈活加載及配置。

3）現(xiàn)場設(shè)備診斷與維護(hù)經(jīng)驗?zāi)K化

洗煤廠設(shè)備技術(shù)員及點檢與維護(hù)人員，長期從事設(shè)備點檢與維護(hù)工作，在實踐中積累的許多有效、實用的設(shè)備故障診斷與維護(hù)經(jīng)驗，可以快速地實現(xiàn)洗煤廠設(shè)備故障的診斷。在系統(tǒng)設(shè)計中，提供快速建模功能，能夠?qū)⑦@些經(jīng)過實踐驗證的經(jīng)驗轉(zhuǎn)變?yōu)樵\斷規(guī)則和模型，實現(xiàn)知識經(jīng)驗到現(xiàn)場應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

4）設(shè)備維護(hù)模塊

隨著設(shè)備維護(hù)隊伍的年輕化，以及設(shè)備智能化水平的提升，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常僅是洗煤廠設(shè)備維護(hù)的基礎(chǔ)和前提，更重要的是如何處理、排除設(shè)備異常。因此，在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)不僅能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，同時，還需提供異常的處理方法，以便工人能夠迅速有效地排除設(shè)備異常。

5）第三方數(shù)據(jù)的共享與共通

隨著洗煤廠智能化的推進(jìn)，數(shù)據(jù)共享與共通已經(jīng)成為必然趨勢，能夠便捷地為第三方提供數(shù)據(jù)接口是洗煤廠智能化的必然要求。

綜上所述，在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)的主要需求包括：多源信息的采集與存儲、經(jīng)驗到診斷模塊的生成、靈活的診斷模塊配置、維護(hù)策略庫與設(shè)備故障關(guān)聯(lián)、開放的數(shù)據(jù)接口服務(wù)。為了支撐在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)實現(xiàn)上述功能，首先，應(yīng)用重采樣技術(shù)，將設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，從而統(tǒng)一采樣策略、統(tǒng)一采樣頻率、統(tǒng)一采樣時鐘，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)價值挖掘與應(yīng)用的前提。同時，獲取與設(shè)備相關(guān)的設(shè)備維護(hù)信息、設(shè)備備件庫存等信息，最終實現(xiàn)設(shè)備信息的一站式查詢。其次，針對不同設(shè)備不同故障開發(fā)專屬診斷模型，并建立設(shè)備故障診斷模型庫，實現(xiàn)測點與模型的靈活配置，系統(tǒng)具有快速模型生成、模型導(dǎo)入功能。第三，構(gòu)建設(shè)備故障維護(hù)策略庫，并與設(shè)備故障進(jìn)行管理，進(jìn)而實現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)問題，解決問題”。針對數(shù)據(jù)共享與共通問題，開發(fā)數(shù)據(jù)開放接口，以滿足不同的數(shù)據(jù)需求。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及功能設(shè)計

在線監(jiān)測與故障診斷智能診斷系統(tǒng)框架如圖1。

圖1 在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)架構(gòu)

1）運行狀態(tài)信息展示

運行狀態(tài)信息展示是系統(tǒng)的主界面，集中展示了設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)的關(guān)鍵運行狀態(tài)信息，包括通過數(shù)據(jù)接口從第三方平臺獲取經(jīng)過重采樣的信息，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)信息的一站式查詢。

2）趨勢分析

趨勢分析，提供橫向和縱向?qū)Ρ确治?。橫向?qū)Ρ确治鍪侵腹r類似的相同設(shè)備之間進(jìn)行對比分析?？v向?qū)Ρ仁侵冈O(shè)備本身一段時間內(nèi)的運行趨勢之間的對比分析。通過橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ确治?，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱藏的故障隱患。

3）報警查詢

報警查詢可以查詢歷史報警，從而找出設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。同時，也可以對設(shè)備的備品備件的質(zhì)量進(jìn)行評價。

4）報表生成

根據(jù)相關(guān)要求，系統(tǒng)自動生成由人工測量填寫的報表，從而減輕工人的勞動強度。

5）診斷報告查詢

對于設(shè)備異常，系統(tǒng)智能診斷模塊運行，生成智能診斷報告，通過診斷報告查詢功能進(jìn)行查看。

6）診斷模型庫

診斷模型庫主要負(fù)責(zé)存儲和管理設(shè)備故障診斷模型。

7）快速建模

為將現(xiàn)場設(shè)備異常識別及維護(hù)經(jīng)驗融入到系統(tǒng)中，提供快速建模工具模塊，以便快速生成設(shè)備診斷及維護(hù)模型。

8）維護(hù)策略庫

維護(hù)策略庫涵蓋了設(shè)備故障處理應(yīng)急處理方法和預(yù)案，是現(xiàn)場經(jīng)驗、專家知識、廠家建議的集大成。其目的在于發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常后，對如何處理設(shè)備異常給予指導(dǎo)。

9）測點與模型匹配

通過測點與模型匹配模塊，建立測點與模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從診斷模型庫中調(diào)用相關(guān)的診斷模型，根據(jù)設(shè)備運行特性進(jìn)行合理匹配。

10）自學(xué)習(xí)模塊

自學(xué)習(xí)模塊主要實現(xiàn)設(shè)備異常數(shù)據(jù)的收集，建立有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)樣本集。利用深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)價值挖掘，從而完善現(xiàn)有診斷模型或新建更為有效的診斷模型。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計

在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計中，有三個關(guān)鍵核心的功能模塊：診斷模型庫模塊、快速建模模塊及維護(hù)策略管理模塊。診斷模型庫模塊是在線監(jiān)測與故障智能診斷的大腦，構(gòu)建了從單個測點、零部件到整機故障智能診斷的模型體系，是在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)的根基所在。快速建模模塊主要是為吸收現(xiàn)場已經(jīng)被驗證的、有效的設(shè)備異常識別方法和設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗，提供快速建模的途徑。維護(hù)策略庫涵蓋設(shè)備故障異常應(yīng)急處理預(yù)案、設(shè)備維護(hù)方法等。維護(hù)策略庫中的維護(hù)策略與設(shè)備異常一一對應(yīng)，并滿足現(xiàn)場實際設(shè)備維護(hù)活動的基本要求。這也是在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)能夠被應(yīng)用的基礎(chǔ)之一。

3.1 診斷模型庫模塊開發(fā)

診斷模型庫在開發(fā)過程中，首先將按照納入系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行分類。梳理出各個設(shè)備的常見故障及敏感參數(shù)。針對不同設(shè)備故障開發(fā)相應(yīng)的算法模塊，如圖2 所示。這些算法模塊包含了設(shè)備的運行特性和環(huán)境特性信息。

圖2 洗煤設(shè)備故障診斷算法模型庫

3.2 快速建模模塊開發(fā)

快速建模的核心是通過若干個監(jiān)測參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備異常的診斷，功能設(shè)計如圖3?？焖俳：w了故障的判斷條件及維護(hù)策略。

圖3 快速建模模塊設(shè)計

3.3 維護(hù)策略庫模塊開發(fā)

維護(hù)策略模塊的核心在于集成洗煤廠設(shè)備維護(hù)策略。同時將每一條維護(hù)策略與現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)涵蓋日常維護(hù)、設(shè)備狀態(tài)維護(hù)、設(shè)備應(yīng)急處理于一體的設(shè)備維護(hù)輔助決策庫。

4 系統(tǒng)應(yīng)用與驗證

在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用情況如下：

1）診斷模型庫模塊

已經(jīng)完成洗煤廠膠帶機、煤泥泵等設(shè)備常見故障專屬模塊的開發(fā)，共計開發(fā)各種故障診斷模型30個。診斷模型庫可以靈活地進(jìn)行模型加載，具有良好的可擴展性。通過測點匹配界面可以實現(xiàn)測點與診斷模型庫中模型關(guān)聯(lián)。

2）維護(hù)策略庫模塊

維護(hù)策略庫模塊共計集成各類維護(hù)策略100 余條，可以滿足現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)的需求。

5 結(jié)論

本文提出洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場獲得應(yīng)用的基本需求，搭建了一套洗煤廠在線監(jiān)測與故障智能診斷系統(tǒng)，構(gòu)建了開放的診斷模型庫，實現(xiàn)設(shè)備專屬模型靈活加載，能夠?qū)崿F(xiàn)洗煤廠設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測與故障的智能診斷，并給出相應(yīng)的維護(hù)建議。后期將繼續(xù)開發(fā)洗煤廠振動篩、破碎機等設(shè)備的專屬診斷模型，進(jìn)一步完善系統(tǒng)。