常彥鵬

（山西焦煤物資裝備汾西租賃分公司，山西 介休 032000）

當前，我國具備電液控制功能的液壓支架普及程度逐年提升，對于提高礦井的自動化程度及安全生產(chǎn)水平起到了非常關鍵的作用。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、集中控制等多技術門類的復雜系統(tǒng)，井下工作條件又十分復雜、惡劣，如果在操作使用及檢修維護方面的管理不夠嚴格，就會使整個電液控制系統(tǒng)故障頻發(fā)，且故障診斷及處置難度大，嚴重影響工作面的安全高效生產(chǎn)。因此，國內(nèi)各大礦區(qū)均對液壓支架電液控制系統(tǒng)的故障診斷技術展開了深入研究，取得了許多有益的成果[1-3]，本文基于數(shù)據(jù)融合技術，對汾西礦業(yè)集團在用液壓支架電液控制系統(tǒng)展開故障診斷研究，設計了故障診斷工作方法及流程，并進行了測試應用，為采場支護及故障快速排除提供指導，從而保障設備長期穩(wěn)定運行。

1 ZDYZ型液壓支架電液控制系統(tǒng)概況

電液控制系統(tǒng)是針對綜采液壓支架建立的一種自動控制系統(tǒng)，用以控制工作面液壓支架進行自動操作，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，將安裝于各個支架上的傳感器等設備連接成整體，各單體設備之間可以進行數(shù)據(jù)傳輸和通訊。同時，綜采工作面液壓支架數(shù)量多、結(jié)構復雜，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)構難以滿足如此強度的數(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，通過以太網(wǎng)控制器進行信息中轉(zhuǎn)，并增加交換機硬件，模塊間建立互通關系，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時互傳及自動轉(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)前端的各臺支架設備上，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備，用以采集液壓支架實時狀態(tài)數(shù)，控制器系統(tǒng)整體工作架構如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制系統(tǒng)整體架構示意圖

2 基于數(shù)據(jù)融合技術的故障診斷系統(tǒng)搭建

數(shù)據(jù)融合技術是指利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術，包括對各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過濾、相關及合成，以便對目標設備的狀態(tài)進行驗證、診斷。數(shù)據(jù)融合技術的實現(xiàn)基于整合通過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和根本。具體到液壓支架，這些數(shù)據(jù)包括液壓支架的運行狀態(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)測數(shù)據(jù)等。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的關鍵工作之一是數(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，通過以太網(wǎng)控制器進行信息中轉(zhuǎn)，并增加交換機硬件，模塊間建立互通關系，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時互傳及自動轉(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

實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的另一項關鍵工作是實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析處理，控制系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)更新、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、報表查看、日志查看、參數(shù)設置等功能。用戶遠程訪問系統(tǒng)是在Internet網(wǎng)絡內(nèi)，訪問Web服務器并傳遞訪問請求，可動態(tài)瀏覽監(jiān)控到的各項實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行管理及應用。數(shù)據(jù)融合核心任務是建立高效運行的數(shù)據(jù)庫，兼顧數(shù)據(jù)庫的性能和安全要求，降低數(shù)據(jù)冗余程度，根據(jù)關系型數(shù)據(jù)庫管理要求，選用MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由文件配置器、日志緩沖器和監(jiān)視器組成，文件配置器主要負責配置文件的讀取及初始化，日志緩沖器負責對MySQL產(chǎn)生的日志文件進行快速的讀取，縮短讀取時間。

3 液壓支架故障診斷功能實現(xiàn)及測試

根據(jù)系統(tǒng)的基礎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，可以實現(xiàn)故障識別、定位、診斷及處置，設計的故障診斷流程如圖3所示，具體是先進行系統(tǒng)登錄及身份認證，然后監(jiān)測各項前端數(shù)據(jù)并導入，包括樣本數(shù)據(jù)的導入和運行數(shù)據(jù)的導入，然后進入分類預測引擎，然后進行樣本訓練，實施故障特征提取，提取后將上傳的數(shù)據(jù)與故障診斷專家數(shù)據(jù)庫進行查找比對，進而實施故障診斷，期間可進行特征修整，并生成故障特征曲線。當故障發(fā)生后，故障信息會由下位機采集到并經(jīng)通信系統(tǒng)傳至監(jiān)控主機，故障信息包括了下位機所處的位置、故障類別信息等，足夠監(jiān)控主機用以進行故障判斷及定位。下位機采集到故障信息后，上傳給監(jiān)控主機進行分析判斷，迅速識別出故障地址信息和故障類型，發(fā)出警報，并在人機界面上顯示出故障情況及處置建議，再安排人員進行處置及維修。

圖3 故障診斷工作流程設計示意圖

按照以上工作流程，實施故障診斷測試，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，當出現(xiàn)故障時，驅(qū)動電流的瞬時值會瞬間增大，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，對應兩次控制器故障；分析（b）圖可知，當液壓值出現(xiàn)故障時，驅(qū)動電流的故障特征曲線會出現(xiàn)峰、谷紊亂；分析（c）圖可知，當油缸的行程出現(xiàn)不足或脫缸時，驅(qū)動電流的故障特征曲線也會出現(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別原理，在系統(tǒng)的實際應用過程中，出現(xiàn)故障時會直接發(fā)出警報，并顯示出故障信息，提供處置方案，指導快速定位故障位置并進行檢修。

圖4 故障特征曲線圖

4 應用及展望

我國綜采工作面成套設備正朝著自動化、智能化方向快速發(fā)展，作為關鍵綜采設備的液壓支架，實現(xiàn)其控制操作遠程化、集中化以及故障診斷排除的智能化至關重要。本文針對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)概況的基礎上，基于數(shù)據(jù)融合技術，對故障診斷系統(tǒng)的硬件、軟件架構進行搭建，建立故障診斷專家數(shù)據(jù)庫，設計了故障診斷流程，實施了故障診斷測試，并對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行典型分析，實現(xiàn)了預期的研究目的。但由于篇幅所限，文章對系統(tǒng)的整體結(jié)構設計及工作機制闡述簡單，同時，對于惡劣工況下的系統(tǒng)可靠性研究還需要進一步深化，從而更好地適應煤礦工作現(xiàn)場，保障安全生產(chǎn)。