龔 彪

（晉能控股集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西忻州 034000）

掘進(jìn)機(jī)是集機(jī)、電、液于一體的大型機(jī)電設(shè)備，其工作時需由電控系統(tǒng)來對液壓及機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要應(yīng)用于礦井下的巷道中，由于礦井工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，在長時間的高強(qiáng)度工作下，掘進(jìn)機(jī)很容易發(fā)生機(jī)械故障，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。為了提高掘進(jìn)機(jī)的可靠性，目前采用的是定期維護(hù)和定期檢修等被動措施，但是該措施實(shí)施效果較差，由于不能在短時間內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的故障，不能對其進(jìn)行快速的定位與處理，不能適應(yīng)礦井的高效掘進(jìn)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的升級。

本文介紹一種用于煤礦掘進(jìn)機(jī)故障自動診斷的新方法，基于掘進(jìn)機(jī)工作狀況的在線實(shí)時監(jiān)控，建立了基于狀態(tài)監(jiān)測的故障診斷系統(tǒng)，以實(shí)例推理與規(guī)則推理相結(jié)合的故障診斷邏輯為核心，通過分析掘進(jìn)機(jī)的工作狀況，實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的異常信息的快速識別，識別并判定異常信息，識別故障類型和位置，并能及時發(fā)布預(yù)警，方便維修人員進(jìn)行及時的維護(hù)。同時，本系統(tǒng)還具有故障定位、故障分析等功能，能夠迅速判斷出掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，為故障的迅速處理提供了依據(jù)。實(shí)踐證明，采用本系統(tǒng)可以減少掘進(jìn)機(jī)的故障診斷時間達(dá)92.4%，使掘進(jìn)機(jī)的故障率下降89.2%，對于提高礦井的掘進(jìn)工作效率有著重要的作用。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)

本文以EBZ315 型掘進(jìn)機(jī)為例，機(jī)電系統(tǒng)由四個控制電機(jī)組成，其中一組控制油泵的驅(qū)動電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的搖擺和提升；第二部分是對除塵驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到對除塵設(shè)備的控制；第三組采用截割式驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對截割機(jī)的自動控制；第四部分是用來控制轉(zhuǎn)載電機(jī)，把割下來的煤送到外面。

在運(yùn)行時，整個機(jī)電系統(tǒng)必須具備過載保護(hù)、缺相保護(hù)等功能，在不同的采掘工況下，為了保證掘進(jìn)機(jī)的正常工作，必須滿足掘進(jìn)機(jī)的自動化控制要求[1]。所以，要對掘進(jìn)機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行自動故障判定，就必須對其進(jìn)行全面的監(jiān)控和判別，由此可以迅速捕獲并確認(rèn)運(yùn)行中的異常信號，圖1對該掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

圖1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 故障分類方案

掘進(jìn)機(jī)的故障分析是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，它直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能和穩(wěn)定性。對掘進(jìn)機(jī)故障進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的故障類型主要有驅(qū)動電機(jī)故障、傳感器故障和通信故障[2]。

電動機(jī)的故障有過熱故障、過流故障、缺相故障等，對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中各個電動機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，獲得了它們在正常工作條件下的工作溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)，并通過對各種正常運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，得出各個監(jiān)測指標(biāo)的正常工作區(qū)間。在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過電流、電壓傳感器對各個電動機(jī)進(jìn)行電流、電壓信號的采集，通過紅外傳感器對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。傳感器將監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至PLC監(jiān)控系統(tǒng)，通過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比較，能夠精確地判定電動機(jī)有無過熱、過流、過載、缺相、粘連等故障。然后，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)視終端，當(dāng)出現(xiàn)故障時，由過流報警燈、過流報警燈、過載警告燈、缺相警示燈、粘連警示燈等相應(yīng)的聲光裝置進(jìn)行報警。

傳感器的常見失效形式有：監(jiān)控信號傳輸不良、傳感器信號異常等，所以在監(jiān)控傳感器故障時，主要采用脈沖信號檢測傳感器的開關(guān)量，并對傳感器信號進(jìn)行監(jiān)控和分析，如果檢測信號超出了系統(tǒng)設(shè)置的正常值，則系統(tǒng)會及時地發(fā)出報警信號，提醒維護(hù)人員進(jìn)行檢查和驗證。

礦井下的地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，對數(shù)據(jù)通訊的需求非常高，在保證數(shù)據(jù)通訊的安全性和準(zhǔn)確性的前提下，必須在較短的時間內(nèi)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳送，并且保證數(shù)據(jù)的正確性。從通信故障的種類來看，通信線路故障、數(shù)據(jù)連接故障、電源不足是當(dāng)前通信故障的主要原因。因此，在系統(tǒng)內(nèi)部安裝CAN 通訊狀況分析裝置，監(jiān)控通訊全過程的通訊狀況，并定時發(fā)送模擬信號，如果分析裝置可以接收到數(shù)據(jù)，則表明通信系統(tǒng)狀態(tài)正常；如果沒有接收到或接收到的信號是錯誤的，則表明通信系統(tǒng)的功能出現(xiàn)障礙，需要進(jìn)行故障排查，恢復(fù)通信功能[3]。

3 掘進(jìn)機(jī)故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

在機(jī)、電、液共同作用下，掘進(jìn)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，所以，監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程和故障診斷，實(shí)質(zhì)上是對掘進(jìn)機(jī)工作時機(jī)、電、液執(zhí)行信號進(jìn)行監(jiān)測，然后將采集到的信號與系統(tǒng)中存儲的正常參數(shù)范圍進(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)對故障狀態(tài)及時準(zhǔn)確的判斷，圖2對掘進(jìn)機(jī)故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

圖2 掘進(jìn)機(jī)故障監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

從圖2可以看出，本系統(tǒng)的故障檢測與診斷系統(tǒng)由多個模塊組成，包含數(shù)據(jù)檢測、電氣控制系統(tǒng)的失效識別、數(shù)據(jù)顯示、視頻監(jiān)視等。通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)模塊連接起來，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效性。

數(shù)據(jù)感應(yīng)探測系統(tǒng)，是一種在掘進(jìn)機(jī)上布置的傳感器，它可以探測到掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時的控制信號、工作姿態(tài)和工作壓力等，在此基礎(chǔ)上，通過PLC的監(jiān)控中心對其進(jìn)行判定，并將異常的操作信息發(fā)送至故障識別系統(tǒng)，故障識別系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定的事例和規(guī)則推理的方法，對故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析、判定，從而確定故障的位置、類型、處理方案等，通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)信息顯示模塊，通過特殊的方式將故障信息顯示在屏幕上，從而使監(jiān)測人員能夠及時地發(fā)現(xiàn)和處置。同時，該系統(tǒng)還可以自動調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，使其在不停機(jī)情況下進(jìn)行故障自動處理，從而提高了掘進(jìn)機(jī)的工作可靠性。視頻監(jiān)控作為對掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的判別輔助手段，通過對掘進(jìn)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，以確定調(diào)整是否就位，保證監(jiān)測的可靠性[4]。

4 故障自動判別邏輯

由于掘進(jìn)機(jī)在工作過程中面臨著復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，掘進(jìn)機(jī)的截割姿態(tài)、運(yùn)行控制信號等受到外部環(huán)境的影響，很容易發(fā)生變化，所以，如何準(zhǔn)確地判斷掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀況，防止系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤報警的情況，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。同時，系統(tǒng)還必須具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)的能力，可以對故障進(jìn)行持續(xù)的更新，以實(shí)現(xiàn)快速的判斷的功能，圖3對故障判斷的邏輯進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

圖3 故障判別邏輯示意圖

從圖3可以看出，當(dāng)系統(tǒng)獲得了裝置的操作數(shù)據(jù)之后，從案例庫中獲得了與故障數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了實(shí)例匹配和推理，如果與相應(yīng)的實(shí)例匹配成功，則能夠快速地識別故障原因，并給出相應(yīng)的維修措施和注意事項，如果沒有匹配到相應(yīng)的案例，那么就會從規(guī)則庫中提取出相關(guān)的規(guī)范，并進(jìn)行規(guī)范推理，最后得出一個完整的診斷結(jié)果，并判斷出故障類型[5]。

同時，該軟件還可以完成對已獲得的實(shí)例進(jìn)行再比對，修改原有的實(shí)例，增加新的實(shí)例，使數(shù)據(jù)庫得到持續(xù)改進(jìn)，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)失效的識別正確率。

5 案例檢索邏輯

鑒于系統(tǒng)庫中存在大量的數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)的逐一匹配算法會造成檢索周期長、識別效率低等問題，從而影響到系統(tǒng)的整體應(yīng)用。因此本文對檢索邏輯進(jìn)行了優(yōu)化與升級，提出了基于相似度的案例檢索邏輯，以關(guān)鍵字和特征進(jìn)行匹配，能夠大大提升檢索速度。根據(jù)實(shí)例檢索結(jié)果，采用相似性檢索方法可以保證檢索速度不超過0.7s，檢索速度快，檢索效率高，圖4對故障判斷的邏輯進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

圖4 案例檢索控制邏輯示意圖

6 實(shí)際應(yīng)用效果分析

該故障自動判別系統(tǒng)，可對每日掘進(jìn)機(jī)的工作狀況進(jìn)行匯總，分析各個關(guān)鍵參數(shù)，獲得大量的參數(shù)偏差值，并自動產(chǎn)生設(shè)備維修建議。在停機(jī)期間，維修人員會依據(jù)系統(tǒng)提供的維修報告，有針對性地進(jìn)行維修，減少維修工作量，提高維修的可靠性。

實(shí)踐應(yīng)用證明，在建立了故障識別系統(tǒng)后，故障后的問題平均求解速度為2.28min，較最優(yōu)方案30min 下降92.4%。通過構(gòu)建掘進(jìn)器維修推薦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對其進(jìn)行有針對性的維修，提高了其工作時的穩(wěn)定性，使其在工作中的失效概率減少89.2%，提高了其工作的可靠性和工作的質(zhì)量。

7 結(jié)論

（1）該檢測系統(tǒng)主要是對掘進(jìn)機(jī)工作時機(jī)、電、液執(zhí)行信號進(jìn)行監(jiān)測，然后將采集到的信號與系統(tǒng)中存儲的正常參數(shù)范圍進(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)對故障狀態(tài)及時準(zhǔn)確的判斷。

（2）該系統(tǒng)采用實(shí)例推理、規(guī)則推理等方法，準(zhǔn)確地分析了掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行故障，并利用自適應(yīng)學(xué)習(xí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了故障識別的自動升級和改進(jìn)，從而提高了識別的效率和精確度。

（3）實(shí)例檢索中，采用相似性檢索方法可以保證檢索速度不超過0.7s，檢索速度快，檢索效率高。

（4）通過構(gòu)建掘進(jìn)器維修系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對掘進(jìn)器進(jìn)行有針對性的維修，提高了其工作時的穩(wěn)定性和效率，使其在工作中的失效概率減少89.2%，時間減少92.4%，提高了其工作的可靠性和工作的質(zhì)量。