張新永

(中國(guó)平煤神馬集團(tuán)設(shè)備租賃分公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，推進(jìn)煤礦作業(yè)的自動(dòng)化、智能化和信息化建設(shè)，優(yōu)化煤礦綜采工作，促進(jìn)大型煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)、起重系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等的自動(dòng)化和信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煤礦作業(yè)的無(wú)人化操作是煤礦未來(lái)發(fā)展的方向。綜采設(shè)備自動(dòng)化程度的提高能夠提高采煤效率和節(jié)約人工成本，從而獲得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但因其所用設(shè)備較多，綜采設(shè)備的維護(hù)及故障維修問(wèn)題日益突顯[1]。綜采設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備間的依賴性較強(qiáng)，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障隱患，而故障的發(fā)生則會(huì)造成整個(gè)綜采系統(tǒng)的癱瘓，加上人工排除比較困難，效率低且存在安全和健康威脅、維修更換困難等問(wèn)題，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[2-3]。因此，應(yīng)深入研究綜采工作故障預(yù)警及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)綜采設(shè)備實(shí)施多元預(yù)警管理。然而，傳統(tǒng)的綜采設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)較為滯后，難以滿足綜采作業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的要求。當(dāng)前，人工智能故障預(yù)警方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊識(shí)別、小波分析和故障樹(shù)等方法，然而模糊識(shí)別需要建立在故障先驗(yàn)基礎(chǔ)上，故障樹(shù)識(shí)別法不能全部找到可能的初始故障[4-5]，小波分析雖然能準(zhǔn)確提取故障頻率信號(hào)，但對(duì)故障隱患的診斷能力相對(duì)不足，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則能夠?qū)π畔⑾到y(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)、非線性的處理，通過(guò)不斷學(xué)習(xí)及調(diào)整閾值、權(quán)值對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不斷地完善，仿照生物神經(jīng)元的方式實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備的預(yù)警，屬于智能化的設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)。為此，基于人員、設(shè)備、綜采面和生產(chǎn)等多元數(shù)據(jù)，應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)了綜采設(shè)備的預(yù)警管理系統(tǒng)，以期提高其預(yù)警能力，為煤礦生產(chǎn)事故預(yù)警及運(yùn)維等提供可靠依據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件及功能設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備硬件故障

常見(jiàn)故障原因：綜采設(shè)備主要有轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、刮板運(yùn)送機(jī)、采煤機(jī)、乳化液泵等，多個(gè)設(shè)備協(xié)同完成綜采任務(wù)。但因綜采環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備較多，為事故多發(fā)地，是煤礦作業(yè)安全管理工作的重點(diǎn)。多數(shù)綜采設(shè)備故障是電機(jī)故障所致，可以說(shuō)電機(jī)故障是煤礦生產(chǎn)的最大安全隱患[6-7]。綜采設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)性較強(qiáng)，但正常運(yùn)轉(zhuǎn)不同于故障時(shí)的振動(dòng)，若其振動(dòng)頻率及幅值呈規(guī)律性且在一定范圍內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行則正常，若其振動(dòng)頻率、方向及幅值發(fā)生改變，表示設(shè)備發(fā)生了故障。因此在綜采設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警管理時(shí)，要提高設(shè)備管理的現(xiàn)代化技術(shù)水平，以有效監(jiān)測(cè)及預(yù)警。當(dāng)然，導(dǎo)致綜采設(shè)備振動(dòng)的原因較多，主要有定子故障、轉(zhuǎn)子故障、氣隙不均勻、滾動(dòng)軸承發(fā)生故障、滑動(dòng)軸承發(fā)生故障等，此外還有設(shè)備電流方面的故障。

故障預(yù)警依據(jù)：在綜采設(shè)備運(yùn)行中，電機(jī)氣隙較小，受磁拉力和磁動(dòng)勢(shì)的影響非常大，如果轉(zhuǎn)子發(fā)生斷裂斷條或氣隙偏心故障后，均會(huì)利用氣隙磁場(chǎng)在定子電流中表現(xiàn)出來(lái)，設(shè)備故障在電流變化上有著明顯的表現(xiàn)和反映[8]。因此，在判定故障時(shí)要以設(shè)備電流信號(hào)和設(shè)備振動(dòng)特征為依據(jù)，同時(shí)借助電壓信號(hào)、溫度來(lái)分析，利用安裝傳感器對(duì)綜采設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用智能算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)處理并分析數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采設(shè)備故障的預(yù)警診斷。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

硬件總體結(jié)構(gòu)：該設(shè)計(jì)分為通信、設(shè)備及應(yīng)用3個(gè)層面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備層主要為刮板運(yùn)輸及采煤等設(shè)備，以及各光纖光柵傳感器；通信層為光纖光柵調(diào)節(jié)儀、監(jiān)測(cè)與通信分站(2個(gè))；應(yīng)用層為服務(wù)器、監(jiān)測(cè)主機(jī)等設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

各設(shè)備的功能：設(shè)備層中的光纖光柵傳感器對(duì)綜采各設(shè)備電機(jī)軸向、徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，電機(jī)溫度參數(shù)通過(guò)其溫度傳感器采集，在光纖光柵調(diào)節(jié)儀中接入溫度傳感器和振動(dòng)傳感器光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)調(diào)制處理，進(jìn)而生成所需的溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)。通信層由2個(gè)監(jiān)測(cè)和通信分站，綜采設(shè)備電機(jī)電氣的信息則由監(jiān)測(cè)和通信分站采集，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況由組合開(kāi)關(guān)采集破碎機(jī)和采煤機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，另一組組合開(kāi)關(guān)則采集轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)。所以，應(yīng)用分站1分別用2個(gè)組合開(kāi)關(guān)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的間接采集，而2號(hào)分站則同泵電機(jī)、皮帶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理則由分站和光纖光柵調(diào)節(jié)儀完成，在顯示后同井下的以太工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)連接，把數(shù)據(jù)上傳至地面上位機(jī)。以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)將采集的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至智能分析裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，判斷出綜采設(shè)備的運(yùn)行狀況，并對(duì)存在的故障隱患給予預(yù)警預(yù)報(bào)。應(yīng)用層主要是綜采數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、查詢和存儲(chǔ)等功能，并且依據(jù)算法模型對(duì)設(shè)備故障實(shí)施多元診斷和預(yù)警，以為其維護(hù)和巡檢提供技術(shù)支持。

2 系統(tǒng)的管理功能

在綜采設(shè)備多元預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要將其設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析及維護(hù)等4個(gè)模塊。其中數(shù)據(jù)維護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)錄入采集到的各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)及預(yù)處理。這些數(shù)據(jù)主要是利用煤礦監(jiān)控管理系統(tǒng)的以太環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)傳輸獲得，也可從信息系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)控視頻等系統(tǒng)中查詢。

2.1 維護(hù)模塊

維護(hù)模塊中的數(shù)據(jù)主要是動(dòng)態(tài)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要是設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)、人員定位和工作面等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)短時(shí)間內(nèi)無(wú)變化。而實(shí)施數(shù)據(jù)則主要是設(shè)備更換、修理、維護(hù)、異常和事故等，這些數(shù)據(jù)會(huì)隨時(shí)更新[9]。預(yù)處理數(shù)據(jù)能夠確保數(shù)據(jù)格式的規(guī)范性和內(nèi)容的完整性。利用數(shù)據(jù)維護(hù)模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、刪除、添加和更改等數(shù)據(jù)操作。

2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

事故數(shù)據(jù)分析模塊：主要分析綜采設(shè)備事故的相關(guān)數(shù)據(jù)、維護(hù)和設(shè)備異常等數(shù)據(jù)，以及綜采設(shè)備的更換、修理等數(shù)據(jù)。在分析設(shè)備事故的模塊中，按照設(shè)備多發(fā)事故的規(guī)律性和相似性、事故種類、損壞部位等特征，從環(huán)境、管理、設(shè)備和人員等多角度出發(fā)，挖掘發(fā)生事故時(shí)多元數(shù)據(jù)的規(guī)律，以對(duì)當(dāng)前條件下設(shè)備事故發(fā)生的概率及可能性進(jìn)行預(yù)判，為預(yù)警分析報(bào)告和預(yù)警發(fā)布的生產(chǎn)提供支持。按照設(shè)備事故類型的不同、各種設(shè)備事故成因的影響試件及發(fā)生頻率進(jìn)行設(shè)備事故分析。

維護(hù)和異常數(shù)據(jù)分析模塊：設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)分析主要對(duì)設(shè)備異常位置和類型進(jìn)行分類，比較異常狀況，分析不同影響因素下設(shè)備異常形變、突降絕緣、溫度異常和異響等的變化曲線及異常持續(xù)時(shí)間，從而評(píng)估判斷設(shè)備異常的演變趨勢(shì)及嚴(yán)重程度。日常維護(hù)執(zhí)行分析中同設(shè)備運(yùn)行狀況相結(jié)合分析日常維護(hù)方式不同對(duì)其運(yùn)行的影響狀況，以設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行為標(biāo)準(zhǔn)選定不同運(yùn)行狀況維護(hù)設(shè)備的有效方案。在設(shè)備更換及修理數(shù)據(jù)分析上要從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出運(yùn)行過(guò)程中的作業(yè)面、生產(chǎn)狀況都相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以配件或設(shè)備回收及安裝時(shí)間作為節(jié)點(diǎn)分析其使用備品、返修后穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，對(duì)備品及修理的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，為采購(gòu)配件和修理提供指導(dǎo)。

數(shù)據(jù)同步：數(shù)據(jù)同步主要是利用局域網(wǎng)將處理后的維護(hù)模塊同步到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)用戶請(qǐng)求、訪問(wèn)權(quán)限將其部分?jǐn)?shù)據(jù)同步至計(jì)算機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)的共享。當(dāng)然，數(shù)據(jù)同步操作為自動(dòng)化同步操作，對(duì)當(dāng)前操作及用戶信息也同步記錄，以防止數(shù)據(jù)被修改，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)的安全性。

數(shù)據(jù)顯示：數(shù)據(jù)分析的結(jié)果要傳輸至顯示模塊中，由其以圖表、報(bào)告和預(yù)警的方式進(jìn)行顯示。發(fā)布設(shè)備預(yù)警除了圖標(biāo)和彈窗的方式之外，還同以太環(huán)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)相連接發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)。設(shè)備維護(hù)和異常維護(hù)預(yù)報(bào)則通過(guò)數(shù)字視窗和變色進(jìn)度條的方式來(lái)顯示，并生成相應(yīng)檢修報(bào)告。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

綜采設(shè)備多元預(yù)警管理系統(tǒng)各功能模塊、交互界面設(shè)計(jì)均采用Java語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理為SQL Sever，數(shù)據(jù)訪問(wèn)控件Data Base控件，兼容性強(qiáng)，且操作靈活簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Eclipse(開(kāi)放源代碼)，SQL數(shù)據(jù)庫(kù)能夠提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢，管理人員能夠通過(guò)訪問(wèn)密碼和用戶名快速進(jìn)入訪問(wèn)系統(tǒng)[10-11]。系統(tǒng)界面能夠以曲線圖的方式實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)變化，如果系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析顯示設(shè)備存在故障隱患時(shí)，系統(tǒng)界面會(huì)故障報(bào)警，且顯示故障類型[12-13]。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選設(shè)備運(yùn)行的實(shí)施數(shù)據(jù)，運(yùn)維管理人員能夠全面迅速地了解設(shè)備信息，且管理人員能夠添加維修和巡檢信息，為設(shè)備管理提供了重要的技術(shù)支持。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

設(shè)備運(yùn)行的可控性：該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠監(jiān)測(cè)綜采設(shè)備運(yùn)行狀況，提高綜采設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性及設(shè)備維護(hù)的效率，設(shè)備維護(hù)成本降低，能夠提前發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備故障隱患，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的可控性。

延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命：設(shè)備運(yùn)行的智能化及監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)化，減少了設(shè)備運(yùn)行所需的人工，節(jié)約了大量人工成本。同時(shí)該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行預(yù)防性檢修，準(zhǔn)確判斷和評(píng)估事故，降低設(shè)備配件的使用量，良好的設(shè)備維護(hù)也延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，進(jìn)而節(jié)省了許多設(shè)備投入。

提高綜采設(shè)備使用率：該系統(tǒng)有效地提高了綜采設(shè)備的使用率，生產(chǎn)效率得到提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益也明顯提高?？梢?jiàn)，該預(yù)警管理系統(tǒng)提高了綜采作業(yè)的智能化程度，有效地降低和控制了綜采設(shè)備事故率，綜采作業(yè)環(huán)境得到改善，人工成本降低，減少了人工處理設(shè)備故障的安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，綜采設(shè)備故障直接影響煤礦開(kāi)采作業(yè)的效率，應(yīng)用監(jiān)測(cè)和通信分站、光纖光柵傳感器等設(shè)備采集綜采設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和傳輸，并設(shè)計(jì)了多元預(yù)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜采設(shè)備故障的診斷、預(yù)警、運(yùn)維管理的動(dòng)態(tài)化和實(shí)時(shí)化。系統(tǒng)應(yīng)用Eclipse平臺(tái)和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的智能查詢及故障預(yù)警、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)維護(hù)及數(shù)據(jù)同步等模塊的功能，綜采設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理效率明顯提高。