模糊專家系統(tǒng)在超高水充填管道故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

劉增環(huán)，楊 帆

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

模糊專家系統(tǒng)在超高水充填管道故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

劉增環(huán)，楊 帆

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

0 引言

目前大多數(shù)煤礦的超高水充填系統(tǒng)的輸送管道沒有安裝泄露堵塞定位自動(dòng)檢測系統(tǒng)，主要靠人工沿管線巡視，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，定位不準(zhǔn)確，管道維護(hù)困難。遇到管路故障，只能做應(yīng)急處理，浪費(fèi)大量的人力財(cái)力。為了提高自動(dòng)化水平，改進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量節(jié)約能源，本論文設(shè)計(jì)了基于模糊專家系統(tǒng)的超高水充填管道在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。通過將模糊集合理論和專家系統(tǒng)相結(jié)合，對管道的壓力和超高水流量進(jìn)行在線監(jiān)測和模糊推理，能有效提升系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性，同時(shí)也保證了診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性。

1 超高水充填管道在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)

超高水是一種新興的煤礦采空區(qū)充填材料，該材料由A，B主料與少量速凝劑(AA)和復(fù)合緩凝劑(BB)組成[1]，A料主要以鋁土礦、石膏等獨(dú)立煉制并復(fù)合超緩凝分散劑構(gòu)成，B料由石膏、石灰及復(fù)合速凝劑構(gòu)成，二者以1:1比例配合使用。能夠達(dá)到凝結(jié)快，強(qiáng)度大的效果。在使用時(shí)，該材料用量很少，而水體積占95%～97%[1]。組成材料按一定比例配制完成后，分別運(yùn)送到采空區(qū)混合，在一定時(shí)間內(nèi)迅速凝固成硬度很強(qiáng)且不可壓縮的固體[2]。充填材料在井上完成各自的配比后，經(jīng)過長距離的管道輸送到井下采空區(qū)。

超高水充填系統(tǒng)的輸送管道中，每種流體所含成分不同，并且由于輸送管道的管線長度不確定、高體水流速不均勻等因素影響，容易造成管道堵塞、凝結(jié)、泄露等問題，嚴(yán)重影響輸送管道的安全運(yùn)行，所以根據(jù)需求設(shè)計(jì)了基于模糊專家系統(tǒng)的高水充填管道在線監(jiān)測系統(tǒng)。主要通過對輸送管路沿線的壓力、流量等變量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析及對照判斷管路是否發(fā)生堵塞故障或者泄露。若有故障發(fā)生，則進(jìn)行報(bào)警，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約能源、提高充填系統(tǒng)自動(dòng)化水平。

本系統(tǒng)上位機(jī)采用PC104嵌入式工控機(jī)下位機(jī)采用PLC來實(shí)現(xiàn)超高水充填管道在線監(jiān)測及故障診斷，具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面的友好交互。其中系統(tǒng)的硬件框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件框架圖

2 模糊專家系統(tǒng)故障診斷

超高水充填管道監(jiān)測系統(tǒng)屬于典型的非線性、時(shí)變、強(qiáng)干擾系統(tǒng)。此系統(tǒng)的擾動(dòng)因素比較多，如井下管道高度不同造成管道壓力變化，管壁的粗糙度以及管道彎頭造成的管道流量變化等，很難用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此針對這些不確定信息本文將模糊集合理論與專家系統(tǒng)相結(jié)合[3]，提升了診斷精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性，同時(shí)也保證了診斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性。

超高水充填井下管道故障診斷模糊專家系統(tǒng)由知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、解釋模塊、學(xué)習(xí)模塊以及輸入輸出模塊構(gòu)成[4]，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

其中部分的功能為：

1）綜合數(shù)據(jù)庫。主要存放井下管道壓力、流量等數(shù)據(jù)以及在診斷過程中產(chǎn)生的一些數(shù)據(jù)。

2）知識庫。存放診斷用的有關(guān)規(guī)則以及有關(guān)知識等。

3）推理機(jī)。模糊推理機(jī)是整個(gè)模糊專家系統(tǒng)的核心。它根據(jù)當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)用知識庫中的知識，采用一定的模糊推理策略，對井下管道進(jìn)行故障診斷。

4）解釋程序。向用戶解釋系統(tǒng)是如何推理得出故障的結(jié)論。

2.1 知識庫

2.1.1 知識庫的建立

煤礦井下超高水充填系統(tǒng)中不同的工況可能引起超高水流量、管道壓力的變化，但變化的情況是不同的,如表1所示。

表1 不同工況下各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力和流量的變化情況

整個(gè)充填系統(tǒng)管道長度約2552米，管路為內(nèi)徑為125mm的無縫鋼管。利用流體力學(xué)相關(guān)知識對管道的壓力降進(jìn)行分析。整個(gè)管道的壓力降主要包括管道摩擦壓力降、靜壓力降和速度壓力降，管道壓力降的計(jì)算公式如下：

其中：

λ為摩擦系數(shù)，無因次；經(jīng)查表為0.02；

L為管道長度，m；

D為管道內(nèi)直徑，m；

∑K為管件、閥門等阻力系數(shù)之和，無因次；

u為流體平均流速，m/s；

ρ為流體密度，kg/m3；

Z2、Z1為管道出口端、進(jìn)口端的標(biāo)高，m；

g為重力加速度，9.81m2/s；

u2、u1為出口端、進(jìn)口端流體流速，m/s。

充填管道按照滿管計(jì)算，則可計(jì)算得到整個(gè)充填管道壓力降⊿P=363.2kPa。

當(dāng)管道運(yùn)行正常時(shí)，管道的壓力降曲線如圖3的曲線1所示，此時(shí)相鄰兩個(gè)傳感器之間的壓差為⊿P1。當(dāng)某一傳感器x0處發(fā)生堵塞事故后，其壓力降如圖3的曲線2，此時(shí)兩端的壓差為⊿P2。

圖3 管道的壓力降

對充填管道的壓力、超高水流量分析，假設(shè)模糊集{P1，P2，P3}={相鄰兩個(gè)傳感器之間的壓差⊿P，前一流量傳感器的流量，后一流量傳感器的流量}，Q為管道故障。各故障狀態(tài)如表2所示。

表2 故障狀態(tài)表

對故障征兆和故障原因分析可得到部分規(guī)則：

2.1.2 知識庫的表示

在故障檢測中，傳感器獲取信息過程中會(huì)受到一些干擾因素的影響，使其具有一定的模糊性，而且故障集合與故障特征之間也并不是一一對應(yīng)關(guān)系，相互之間的影響也具有一定的模糊性[5]。因此本文采用模糊產(chǎn)生式規(guī)則來表示知識庫。

2.2 推理機(jī)

本系統(tǒng)的推理方法采用正向模糊推理的方式。根據(jù)故障征兆對知識庫進(jìn)行模糊匹配，分析匹配出的可能原因便可以診斷出管道的實(shí)時(shí)狀況。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真分析，選取管道長度50米，流體密度為1640kg/m3，流體有效粘度為0.118，當(dāng)流體流速發(fā)生變化時(shí)阻力損失的變化如表3所示。隨著仿真實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確率的仿真圖如圖4所示。

表3 流速與阻力損失的關(guān)系

圖4 仿真圖

從上述仿真圖可以看出本文所提出的故障診斷方法準(zhǔn)確率較高，說明了本文方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文針對井下管道的壓力、超高水的流量設(shè)計(jì)的模糊專家故障診斷系統(tǒng)有效改善了專家系統(tǒng)容錯(cuò)性差等問題，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的魯棒性和判斷的準(zhǔn)確性。因此將其應(yīng)用于井下管道監(jiān)測這種復(fù)雜被控對象具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]馮光明,王成真,李鳳凱,等.超高水材料開放式充填開采研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010,27(4):453-457.

[2]馬廣興,侯尚武,白長江.超高水材料充填系統(tǒng)的優(yōu)化[J].中州煤炭,2012(4):59-60.

[3]Lee H J, Park D Y, Ahn B S, et al. A fuzzy expert system for the integrated fault diagnosis[J].IEEE Trans on Power Delivery,2000,15(2):833-838.

[4]于治福,于會(huì)榮,王德方,等.基于模糊專家系統(tǒng)的礦用風(fēng)機(jī)故障診斷[J].煤礦機(jī)械,2013,34(1):271-273.

[5]崔小鵬,王公寶,王潔.一種故障診斷模糊專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2014,(1):135-139.

[6]馬華杰,王金梅.模糊專家系統(tǒng)在火電廠汽包水位運(yùn)行故障診斷中的應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程,2012,28(3):41-43.

Application of fuzzy expert system in high-water filling the pipeline fault diagnosis system

LIU Zeng-huan, YANG Fan

針對目前多數(shù)煤礦井下超高水充填管道系統(tǒng)仍采用人工沿管線巡視的現(xiàn)狀，通過對充填管道壓力、超高水流量的在線監(jiān)測，設(shè)計(jì)了基于模糊專家系統(tǒng)的高水充填管道在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)。通過將模糊集合理論與專家系統(tǒng)結(jié)合，提升了系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度以及系統(tǒng)的容錯(cuò)性。通過實(shí)驗(yàn)仿真可以看出該模糊專家故障診斷方法準(zhǔn)確率高，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

超高水充填；管道監(jiān)測；模糊理論；專家系統(tǒng)；故障診斷

劉增環(huán)（1962 -），男，教授，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化檢測與控制的研究。

TP206

A

1009-0134(2015)07(下)-0052-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).16

2015-03-02