張學舜

（汾西礦業(yè)集團機電管理部，山西 介休 032000）

引言

帶式輸送機作為一種依靠電機帶動、摩擦驅(qū)動且能夠連續(xù)進行煤炭運輸?shù)臋C電設備，其工作原理簡單、工作性能可靠、運輸效率高、適應范圍廣，在我國各大礦區(qū)得到廣泛應用，且認可度較高。隨著煤炭行業(yè)對安全生產(chǎn)工作的重視程度越來越高，以及礦井機電設備對于實現(xiàn)自動化和集中化控制的需求，近年來，各大煤礦持續(xù)對主要用電設備實施變頻節(jié)能改造、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)改造、自動化和集中化控制改造等，并對輸送機的保護系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)等提出了新的要求和標準[1-4]。本文針對礦井常用的DSJ 系列帶式輸送機展開研究，構(gòu)建輸送機監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)，并展開工業(yè)性試驗及應用效果分析，實現(xiàn)對帶式輸送機運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，對各類故障進行預警并指導完成故障處置。

1 帶式輸送機運行現(xiàn)狀分析

目前，行業(yè)標準要求帶式輸送機運行必須配備六大保護系統(tǒng)，普遍應用了安全監(jiān)控系統(tǒng)，部分實施了變頻軟啟動改造，但經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研分析及相關(guān)文獻檢索[5-7]，分析認為目前井下帶式輸送機還存在以下問題：

1）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)未全面覆蓋。帶式輸送機運輸線路長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、工藝復雜、運輸量不均衡、設備負荷變化大，常規(guī)監(jiān)控及保護系統(tǒng)只覆蓋了重點區(qū)域，如機頭處、機尾處、轉(zhuǎn)載點處，但對設備系統(tǒng)的全面感知不足，缺乏對皮帶接頭、振動處、滾筒等關(guān)鍵部位的監(jiān)測與保護，且監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性、完整性、真實性、實時性不足，為設備保護及故障診斷提供決策支持不足。

2）帶式輸送機運行效率不高。雖然各大煤礦持續(xù)對主要用電設備實施變頻節(jié)能改造，但目前帶式輸送機的變頻改造往往只是實現(xiàn)了軟啟動和自動啟停，很少能夠真正實現(xiàn)根據(jù)皮帶上的運煤量來調(diào)節(jié)運行速度和電機功率，造成電能的無效浪費，同時也造成設備的無謂磨損和壽面縮減。

3）運行工況差、故障率高。經(jīng)過統(tǒng)計分析，得出帶式輸送機的故障類型主要包括皮帶部分故障、驅(qū)動部分故障、張緊部分故障、滾筒部分故障、控制系統(tǒng)故障、監(jiān)控系統(tǒng)故障、異常停機故障等類型，細分故障項目類型數(shù)量更多，部分故障可由目前的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)識別，處置難度不大，更多的故障發(fā)生在監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的保護之外，識別難度大，處置起來極為困難，影響礦井的正常生產(chǎn)節(jié)奏。

總的來說，當前我國礦井帶式輸送機整體管理運行模式較為粗放，設備仍未脫離粗大笨重的傳統(tǒng)印象，運行效率不高，節(jié)能性差，故障率居高不下，運行信息的獲取、分析、反饋能力差，而且供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)互相獨立，或者僅做到了簡單化集成，故障識別及處置程序被動，而且也造成了故障率增大，亟待進行升級改造。

2 監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)設計

2.1 專家系統(tǒng)設計思路

在當前帶式輸送機運行現(xiàn)狀分析的基礎上，新設計的監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)應是一個具備高度集成化、信息化、智能化，以及具備良好人機交互性能的整體系統(tǒng)。其設計思路應遵循以下3 個方面：

1）能夠全面感知設備的工作狀態(tài)。除了六大保護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能以外，系統(tǒng)還應增加對各滾筒、設備平衡性、皮帶接頭、急停鋼絲繩等部位的全面監(jiān)測，還能夠動態(tài)獲取設備振動、關(guān)鍵部位溫度、油液量、電力參數(shù)等信息，可創(chuàng)新性地利用視頻技術(shù)，對煤流量、堆煤情況進行監(jiān)測，參數(shù)實時上傳控制中心，經(jīng)處理再反饋出設備是否正常運行、各部件是否發(fā)生損壞、損壞的嚴重程度等。

2）能夠提供故障識別及處置支持。故障診斷工作應作為專家系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，也是最具備實用性的功能之一。思路是通過監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)獲取的各類運行參數(shù)信息，與正常的工作參數(shù)進行比對，從而判斷出設備是否在正常運行，是否出現(xiàn)了系統(tǒng)中預設的故障，如果存在故障，能夠識別故障的類型、位置、起因等，并基于專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對故障進行預警、提供處置方案等。

3）能夠助力實施設備維護及管理。礦井機電設備使用管理及維護工作至關(guān)重要，由專家系統(tǒng)對設備的全壽命周期進行管理，對帶式輸送機的運行狀態(tài)、參數(shù)信息、完好情況、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)等進行管理，并按照預設周期及實時情況進行養(yǎng)護管理預警。

2.2 專家系統(tǒng)架構(gòu)設計

基于以上設計思路，設計監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。系統(tǒng)架構(gòu)主要包括任務管理及調(diào)度模塊、云計算基礎平臺模塊、皮帶輸送機實時數(shù)據(jù)采集模塊、線下設備數(shù)據(jù)管理模塊等。其工作模式及流程設計為：由皮帶輸送機實時數(shù)據(jù)采集模塊進行視頻監(jiān)控并獲取設備在線狀態(tài)數(shù)據(jù)，故障預警則為數(shù)據(jù)上傳處理后的反饋行為；由線下設備數(shù)據(jù)管理模塊進行設備建檔，管理設備缺陷信息、檢修試驗數(shù)據(jù)、故障診斷數(shù)據(jù)，并對運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行記錄；數(shù)據(jù)獲取后實時上傳至云計算基礎平臺，內(nèi)置海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、各數(shù)據(jù)服務集群等；在云計算基礎平臺之上，再進行皮帶輸送機狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，基于算法調(diào)度，進行任務管理及調(diào)度控制，最終進行皮帶輸送機狀態(tài)診斷、預測估計、狀態(tài)評估、風險評估、檢修策略制定及檢修維護等各項工作。

圖1 監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)設計示意圖

2.3 工況監(jiān)測及故障診斷流程

帶式輸送機通過各大保護系統(tǒng)及故障診斷專家系統(tǒng)，實施皮帶跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超溫等各項保護。其中，跑偏監(jiān)測及保護是在輸送機上安裝跑偏傳感器，當傳感器識別的角度達到跑偏預設值時，立即停車保護；防滑保護是通過監(jiān)測滾筒轉(zhuǎn)速與皮帶運行速度，其速度差作為判別標準，當滑差率超過8%時就觸發(fā)報警機制，打滑超過20 s 時就緊急停車，滑差率超過12%時5 s 即緊急停車；堆煤保護傳感器設置在落煤點上方，堆煤增多時傳感器發(fā)生傾斜，觸發(fā)緊急停車操作；皮帶撕裂是通過皮帶內(nèi)置的縱撕線圈傳感器，并在兩側(cè)安裝發(fā)射器和接收器裝置，收發(fā)信號并進行耦合處置，作出報警和急停動作；對其余各項工況監(jiān)測及故障診斷均設計了完備的工作流程。

3 工業(yè)性試驗及效果分析

根據(jù)監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)架構(gòu)及功能設計，研發(fā)出KJ161 型礦井帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)控主機、各類控制開關(guān)、各類保護傳感器、信號中轉(zhuǎn)站、通用I/O 接口、傳輸信號線等組成。線路上，每隔100 m 設置一個急停閉鎖裝置，每100 m 安裝一處警報及通信裝置，各分站與監(jiān)控主機之間通過CAN 總線進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時傳輸。同時，監(jiān)控主機設置有計算機并安裝了人機交互軟件，能夠顯示系統(tǒng)的工作信息并進行人機交互，工作截面如圖2 所示。

圖2 KJ161 型監(jiān)控系統(tǒng)人機交互界面

利用停產(chǎn)檢修時間，在礦井掘進工作面單部帶式輸送機上進行了KJ161 型監(jiān)控系統(tǒng)的改造安裝及應用。系統(tǒng)基于各類精準傳感器、高效的數(shù)據(jù)傳輸及處理，有效預防了膠帶打滑、跑偏、撕裂、超溫等機電事故發(fā)生，還能夠?qū)Πl(fā)生的各類故障進行預警及處置提示，對減速箱油位、軸承磨損情況、潤滑情況等進行維護保養(yǎng)提示，提高了設備運行的可靠性，對于延長設備使用壽命、提高生產(chǎn)安全系數(shù)效果十分顯著。

4 結(jié)語

礦井機電設備使用維護管理及監(jiān)測監(jiān)控管理工作至關(guān)重要，是提高礦井生產(chǎn)效益，保障安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。在對礦井帶式輸送機運行現(xiàn)狀進行分析的基礎上，提出了監(jiān)測監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)的設計思路及架構(gòu)設計，并研發(fā)出KJ161 型礦井帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過工業(yè)性試驗驗證，該系統(tǒng)能夠提高礦井機電設備的自動化控制水平，大大簡化帶式輸送機操作流程，同時，可以顯著提高設備運行的可靠性，對帶式輸送機運行過程中的各類故障進行預警及處置提示，還可以將設備的被動維修轉(zhuǎn)化為日常的定期保養(yǎng)維護，降低設備故障率，延長使用壽命，安全生產(chǎn)及技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。