液壓支架電液控制系統(tǒng)故障診斷方法設(shè)計(jì)及應(yīng)用

常彥鵬

（山西焦煤物資裝備汾西租賃分公司，山西 介休 032000）

當(dāng)前，我國(guó)具備電液控制功能的液壓支架普及程度逐年提升，對(duì)于提高礦井的自動(dòng)化程度及安全生產(chǎn)水平起到了非常關(guān)鍵的作用。但是，由于液壓支架電液控制系統(tǒng)又是涵蓋了液壓、電氣、通訊、集中控制等多技術(shù)門類的復(fù)雜系統(tǒng)，井下工作條件又十分復(fù)雜、惡劣，如果在操作使用及檢修維護(hù)方面的管理不夠嚴(yán)格，就會(huì)使整個(gè)電液控制系統(tǒng)故障頻發(fā)，且故障診斷及處置難度大，嚴(yán)重影響工作面的安全高效生產(chǎn)。因此，國(guó)內(nèi)各大礦區(qū)均對(duì)液壓支架電液控制系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)展開(kāi)了深入研究，取得了許多有益的成果[1-3]，本文基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)汾西礦業(yè)集團(tuán)在用液壓支架電液控制系統(tǒng)展開(kāi)故障診斷研究，設(shè)計(jì)了故障診斷工作方法及流程，并進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，為采場(chǎng)支護(hù)及故障快速排除提供指導(dǎo)，從而保障設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 ZDYZ型液壓支架電液控制系統(tǒng)概況

電液控制系統(tǒng)是針對(duì)綜采液壓支架建立的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，用以控制工作面液壓支架進(jìn)行自動(dòng)操作，為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型，以控制器為核心，直流穩(wěn)壓電源供電，并使用總線連接技術(shù)，將安裝于各個(gè)支架上的傳感器等設(shè)備連接成整體，各單體設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊。同時(shí)，綜采工作面液壓支架數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其電液控制系統(tǒng)中需要處理大量的數(shù)據(jù)，且需要性能較高的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及信息傳輸系統(tǒng)，常用的總線結(jié)構(gòu)難以滿足如此強(qiáng)度的數(shù)據(jù)需求，故采用CAN/RS通信總線協(xié)議，并以支架控制器MCU 為核心，通過(guò)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行信息中轉(zhuǎn)，并增加交換機(jī)硬件，模塊間建立互通關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互傳及自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸及處理效率。在系統(tǒng)前端的各臺(tái)支架設(shè)備上，連接有壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、紅外傳感器等終端設(shè)備，用以采集液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)，控制器系統(tǒng)整體工作架構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2 基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)搭建

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)按時(shí)序獲得的若干觀測(cè)信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)，包括對(duì)各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過(guò)濾、相關(guān)及合成，以便對(duì)目標(biāo)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證、診斷。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于整合通過(guò)不同方式獲得的各種類型的海量數(shù)據(jù)，是故障診斷工作的基礎(chǔ)和根本。具體到液壓支架，這些數(shù)據(jù)包括液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、液壓電氣參數(shù)、系統(tǒng)自檢參數(shù)、其他各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵工作之一是數(shù)據(jù)的快速采集及傳輸，數(shù)據(jù)的采集是基于前端安裝的壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、紅外傳感器等終端設(shè)備，數(shù)據(jù)的傳輸采用CAN/RS通信總線協(xié)議，并以支架控制器MCU 為核心，通過(guò)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行信息中轉(zhuǎn)，并增加交換機(jī)硬件，模塊間建立互通關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互傳及自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)功能，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸及處理效率，如圖2所示。

圖2 液壓支架控制系統(tǒng)示意圖

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的另一項(xiàng)關(guān)鍵工作是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析處理，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)更新、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表查看、日志查看、參數(shù)設(shè)置等功能。用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)是在Internet網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，訪問(wèn)Web服務(wù)器并傳遞訪問(wèn)請(qǐng)求，可動(dòng)態(tài)瀏覽監(jiān)控到的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及應(yīng)用。數(shù)據(jù)融合核心任務(wù)是建立高效運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)，兼顧數(shù)據(jù)庫(kù)的性能和安全要求，降低數(shù)據(jù)冗余程度，根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理要求，選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由文件配置器、日志緩沖器和監(jiān)視器組成，文件配置器主要負(fù)責(zé)配置文件的讀取及初始化，日志緩沖器負(fù)責(zé)對(duì)MySQL產(chǎn)生的日志文件進(jìn)行快速的讀取，縮短讀取時(shí)間。

3 液壓支架故障診斷功能實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理及電液控制系統(tǒng)的故障診斷需求，搭建起故障診斷的軟硬件系統(tǒng)，并建立故障診斷專家數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別、定位、診斷及處置，設(shè)計(jì)的故障診斷流程如圖3所示，具體是先進(jìn)行系統(tǒng)登錄及身份認(rèn)證，然后監(jiān)測(cè)各項(xiàng)前端數(shù)據(jù)并導(dǎo)入，包括樣本數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和運(yùn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，然后進(jìn)入分類預(yù)測(cè)引擎，然后進(jìn)行樣本訓(xùn)練，實(shí)施故障特征提取，提取后將上傳的數(shù)據(jù)與故障診斷專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查找比對(duì)，進(jìn)而實(shí)施故障診斷，期間可進(jìn)行特征修整，并生成故障特征曲線。當(dāng)故障發(fā)生后，故障信息會(huì)由下位機(jī)采集到并經(jīng)通信系統(tǒng)傳至監(jiān)控主機(jī)，故障信息包括了下位機(jī)所處的位置、故障類別信息等，足夠監(jiān)控主機(jī)用以進(jìn)行故障判斷及定位。下位機(jī)采集到故障信息后，上傳給監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析判斷，迅速識(shí)別出故障地址信息和故障類型，發(fā)出警報(bào)，并在人機(jī)界面上顯示出故障情況及處置建議，再安排人員進(jìn)行處置及維修。

圖3 故障診斷工作流程設(shè)計(jì)示意圖

按照以上工作流程，實(shí)施故障診斷測(cè)試，生成控制器故障特征曲線、壓力傳感器故障特征曲線、行程傳感器故障特征曲線如圖4 所示。分析（a）圖可以看出，控制器的故障特征較為明顯，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的瞬時(shí)值會(huì)瞬間增大，出現(xiàn)峰值沖擊電流，故障曲線中呈現(xiàn)出兩次明顯的峰值，對(duì)應(yīng)兩次控制器故障；分析（b）圖可知，當(dāng)液壓值出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的故障特征曲線會(huì)出現(xiàn)峰、谷紊亂；分析（c）圖可知，當(dāng)油缸的行程出現(xiàn)不足或脫缸時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流的故障特征曲線也會(huì)出現(xiàn)較明顯的紊亂。生成這種故障曲線主要是為了直觀顯示故障識(shí)別原理，在系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)直接發(fā)出警報(bào)，并顯示出故障信息，提供處置方案，指導(dǎo)快速定位故障位置并進(jìn)行檢修。

圖4 故障特征曲線圖

4 應(yīng)用及展望

我國(guó)綜采工作面成套設(shè)備正朝著自動(dòng)化、智能化方向快速發(fā)展，作為關(guān)鍵綜采設(shè)備的液壓支架，實(shí)現(xiàn)其控制操作遠(yuǎn)程化、集中化以及故障診斷排除的智能化至關(guān)重要。本文針對(duì)ZDYZ型液壓支架電液控制系統(tǒng)的故障診斷需求，在分析其電液控制系統(tǒng)概況的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)故障診斷系統(tǒng)的硬件、軟件架構(gòu)進(jìn)行搭建，建立故障診斷專家數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)了故障診斷流程，實(shí)施了故障診斷測(cè)試，并對(duì)控制器故障特征曲線、壓力傳感器故障特征曲線、行程傳感器故障特征曲線進(jìn)行典型分析，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研究目的。但由于篇幅所限，文章對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作機(jī)制闡述簡(jiǎn)單，同時(shí)，對(duì)于惡劣工況下的系統(tǒng)可靠性研究還需要進(jìn)一步深化，從而更好地適應(yīng)煤礦工作現(xiàn)場(chǎng)，保障安全生產(chǎn)。