車進(jìn)平

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦環(huán)?？?，山西 太原 030203）

皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等礦山機(jī)電設(shè)備作為煤炭機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。然而煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致的電氣設(shè)備老化、負(fù)荷配合關(guān)系變化產(chǎn)生的磨損等眾多因素都造成設(shè)備極易發(fā)生故障[1]。井下電氣控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備眾多且空間狹小等因素導(dǎo)致不能及時(shí)診斷機(jī)電設(shè)備故障發(fā)生位置，不僅影響礦井開采生產(chǎn)效率，還可能導(dǎo)致發(fā)生人身安全事件，造成嚴(yán)重后果。因此，掌握設(shè)備日常運(yùn)行參數(shù)、對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而完成機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)，具有重要意義[2]。

1 故障形成原因及分類

從形成原因來看，機(jī)電設(shè)備故障主要分為兩類，一是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因負(fù)荷變化等電氣原因，導(dǎo)致的系統(tǒng)性損壞問題；再者就是長(zhǎng)時(shí)間的磨損，設(shè)備機(jī)械裝置因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致的零部件損傷，如：設(shè)備摩擦磨損、設(shè)備異常移動(dòng)導(dǎo)致位置偏移及外力破壞導(dǎo)致的設(shè)備損壞，等等。不同原因?qū)е碌脑O(shè)備損壞程度及周期不同，因此在進(jìn)行故障檢測(cè)乃至預(yù)測(cè)過程中，應(yīng)綜合考慮上述故障情況，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

2 故障檢測(cè)方法及步驟

為實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障的準(zhǔn)確檢測(cè)，需聯(lián)合使用多種方法進(jìn)行判斷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，目前所使用的方法主要有以下四種：主觀判斷法，即根據(jù)操作人員的豐富經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單工具、儀器數(shù)據(jù)，完成故障判斷；記錄判斷法，即根據(jù)檢測(cè)人員的檢測(cè)記錄，利用排除法完成設(shè)備狀態(tài)判斷；儀器診斷法，即先根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)完成初步判斷，再結(jié)合先進(jìn)儀器完成判斷；智能判斷法，即通過專家診斷系統(tǒng)，通過完善數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)等相關(guān)數(shù)據(jù)，提高判斷準(zhǔn)確性。

基于上述考慮，本系統(tǒng)在參考智能判斷法基礎(chǔ)上形成故障診斷技術(shù)，進(jìn)一步提高機(jī)電設(shè)備故障診斷的準(zhǔn)確性和診斷效率[4]。

如圖1所示，機(jī)電設(shè)備故障診斷過程分為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和診斷決策三個(gè)環(huán)節(jié)。其中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)階段，通過安裝在設(shè)備周圍的監(jiān)測(cè)設(shè)備及相關(guān)傳感器，可以提供基本數(shù)據(jù)，完成故障特征信息的提取，并經(jīng)信號(hào)處理完成數(shù)據(jù)初步分析。在故障診斷階段，通過對(duì)比參數(shù)對(duì)當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估（良好、劣化、性能低、故障），并依托專家知識(shí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)分析方法，完成效率評(píng)判和故障診斷，確定故障類型及部位，分析產(chǎn)生原因，并對(duì)后續(xù)使用結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。在診斷決策階段，通過對(duì)原因的分析，完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整，采取設(shè)備更換等措施，從而完成本次故障檢測(cè)[5]。

圖1 機(jī)電設(shè)備故障診斷原理

3 機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)硬件系統(tǒng)

為實(shí)時(shí)掌握煤礦井下設(shè)備狀態(tài)變化情況，準(zhǔn)確判斷設(shè)備狀態(tài)并對(duì)故障情況進(jìn)行診斷，基于上述原理，針對(duì)刮板輸送機(jī)、液壓支架等井下關(guān)鍵機(jī)電裝置，完成檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)。

3.1 刮板輸送機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)

如圖2所示，系統(tǒng)整體由地面和井下兩部分組成，分別完成故障診斷和數(shù)據(jù)采集功能，其中井下部分主要由控制模塊、傳感模塊和接口電路組成。

圖2 刮板輸送機(jī)故障檢測(cè)及診斷系統(tǒng)

傳感模塊主要由轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、油溫傳感器、壓力傳感器和張力傳感器等多種傳感器組成，并通過ZigBee、藍(lán)牙、紅外等形式完成數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感模塊數(shù)據(jù)的快速切換傳輸，需要設(shè)計(jì)多通道切換模塊，以完成不同數(shù)據(jù)之間的切換傳輸。控制模塊主要由紅外遙控和本安鍵盤等輸入模塊完成關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置；信號(hào)調(diào)理電路、電壓調(diào)理電路、控制器模塊完成對(duì)輸入信號(hào)的處理、分析；由信號(hào)輸出模塊和聲光報(bào)警模塊，完成對(duì)油溫過高、刮板機(jī)卡鏈等異常狀態(tài)的處置工作。接口電路主要完成總線數(shù)據(jù)傳輸，并由CAN、RS485等總線完成數(shù)據(jù)幀打包，并經(jīng)由礦用路由器，傳輸給以太網(wǎng)，在上位機(jī)中完成數(shù)據(jù)讀取，并在分析軟件中編制基于RBF的故障診斷算法，完成故障診斷和分析[6]。

3.2 液壓支架故障檢測(cè)系統(tǒng)

與刮板機(jī)輸送系統(tǒng)類似，針對(duì)液壓支架在使用過程中可能出現(xiàn)的動(dòng)力不足、液壓系統(tǒng)漏油、輸油管道堵塞等問題，設(shè)計(jì)了如圖3所示的以單片機(jī)為核心的故障檢測(cè)系統(tǒng)。除單片機(jī)基本電路和UART、RS485及CAN等多種通信端口外，系統(tǒng)使用壓力、位移、紅外、傾角等多種傳感器，結(jié)合采樣信號(hào)處理模塊，完成液壓支架運(yùn)行狀態(tài)的判斷，并完成報(bào)警顯示。同時(shí)通過人機(jī)操作界面顯示、電磁閥驅(qū)動(dòng)等功能，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整和液壓支架狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架故障發(fā)現(xiàn)、判斷、處置的全流程跟蹤，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖3 液壓支架故障檢測(cè)及診斷系統(tǒng)

4 機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)軟件算法

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備故障診斷，需要利用多種傳感器的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行分析、匯總，其中采用訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本為特征向量，可以完成上述任務(wù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照誤差逆向傳播進(jìn)行算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要分為輸入層、隱含層和輸出層三部分，通過前向計(jì)算、誤差反向過程，以代價(jià)函數(shù)最小值為目標(biāo)，可以得到各個(gè)參數(shù)的權(quán)值[7]。而RBF（Radical Basis Function，徑向基函數(shù)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)BP后反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用Cover定理，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題進(jìn)行解決，通過調(diào)節(jié)輸入層、隱層和輸出層之間的關(guān)系，使其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、訓(xùn)練周期變短，更有利于在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上快速得出設(shè)備狀態(tài)信息，提高故障分析準(zhǔn)確率。其訓(xùn)練過程如圖4所示[8-9]。

針對(duì)煤礦井下刮板輸送機(jī)、液壓支架等機(jī)電設(shè)備，通過電壓傳感器、電流傳感器、油位、油溫傳感器等不同位置、不同物理參量（溫度、濕度、傾角等）的傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)歸一化處理后，由訓(xùn)練完成的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，可以快速獲得故障診斷結(jié)果，并及時(shí)進(jìn)行顯示、報(bào)警。

5 機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)注意事項(xiàng)

煤礦井下礦山機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)組成復(fù)雜，在實(shí)際維護(hù)過程中，首先明確檢測(cè)重點(diǎn)，對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部件、關(guān)鍵流程應(yīng)及時(shí)掌握運(yùn)行參數(shù)變化情況。其次應(yīng)注意增加設(shè)備檢測(cè)次數(shù)，掌握數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化情況，為后續(xù)分析完成積累。再次要合理利用檢測(cè)設(shè)備，安排檢測(cè)重點(diǎn)，做到“對(duì)癥下藥”。最后，在組織層面，應(yīng)組建檢測(cè)小組，并進(jìn)行數(shù)據(jù)、記錄的常態(tài)化抽查，確保任務(wù)到人，履責(zé)到位[10]。

本系統(tǒng)運(yùn)用于山西晉城古書院煤礦的15130工作面，目前設(shè)備已經(jīng)分別進(jìn)行地面和井下調(diào)試安裝，設(shè)備運(yùn)行正常，轉(zhuǎn)速、溫度、油溫、張力及壓力傳感器均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，系統(tǒng)軟件通信傳輸正常，可以滿足工作面監(jiān)控及故障檢測(cè)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

煤炭生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、電氣化水平的提高，在確保煤炭安全生產(chǎn)的同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度和故障判斷的難度增加。煤礦綜采設(shè)備運(yùn)行故障檢測(cè)技術(shù)與方法系統(tǒng)在分析故障產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，總結(jié)煤礦綜采設(shè)備故障診斷的方法，并結(jié)合故障診斷階段，設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)和液壓支架故障檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)據(jù)較多的問題，使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成快速判斷。最后針對(duì)設(shè)備日常運(yùn)維中可能出現(xiàn)的問題，給出具體建議，提升了設(shè)備安全水平，縮減了故障判斷時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。