采煤機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

徐 浩

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030024）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國民生產(chǎn)生活所需的能源量逐步增多，而在我國眾多的能源形式中，煤炭資源無疑是重要支柱。據(jù)統(tǒng)計我國的煤炭資源在能源消耗中占據(jù)七成以上的比重，足以見得煤炭資源的重要性。采煤機(jī)作為煤礦截煤、落煤、裝煤的重要機(jī)械設(shè)備，其在煤礦開采中占據(jù)及其重要的位置。在采煤機(jī)的日常工作中，由于礦井環(huán)境較為惡劣，常常會受到瓦斯事故、沖擊、負(fù)載等影響，使得采煤機(jī)發(fā)生故障，嚴(yán)重制約著煤礦的生產(chǎn)[1-2]。對此眾多學(xué)者對采煤機(jī)部件的薄弱環(huán)節(jié)及采煤機(jī)的電控系統(tǒng)、截割系統(tǒng)等進(jìn)行過研究，為采煤機(jī)的高效穩(wěn)定運行提供一定的保障[3-4]。為了保證采煤機(jī)運行的可靠性與安全性，本文對采煤機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行研究，設(shè)計了采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，有效提升了設(shè)備的管理及日常維護(hù)效率，保證了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為礦井降本增效提供一定的參考。

1 總體設(shè)計

采煤機(jī)作為煤礦開采的重要設(shè)備，其一旦發(fā)生故障將會造成極大的停產(chǎn)損失，所以對常見故障進(jìn)行梳理建立采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。采煤機(jī)由截割部、電氣控制部、液壓部、牽引部、輔助裝置構(gòu)成，其常見故障可以分為三種類型。

1）機(jī)械故障，采煤機(jī)在運行過程中受到載荷和振動等影響，使得部分元件發(fā)生脫落、磨損、斷裂等故障。

2）電氣故障，由于設(shè)備的急停急啟過載等原因造成設(shè)備出現(xiàn)電機(jī)過熱、變壓箱過熱、通信故障及變壓器故障等問題，造成機(jī)械停產(chǎn)。

3）液壓故障，由于管路相互連接，部件之間依靠液壓油傳遞動力，所以油壓變化、油液污染等會造成管路堵塞、管路破裂等問題，造成機(jī)械故障。

目前對采煤機(jī)運行監(jiān)測的方案眾多，其中溫度監(jiān)測是采煤機(jī)監(jiān)測的重要指標(biāo)，主要是對油液溫度、電機(jī)溫度及部件溫度進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳從而進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)溫度、管路等出現(xiàn)異常時，會立刻進(jìn)行報警。本文設(shè)計的采煤機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)從下而上依次可以分為硬件層、傳輸層和應(yīng)用層。具體設(shè)計建構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 設(shè)計建構(gòu)框架圖

從圖1 可以看出，硬件層將采煤機(jī)的實時運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，并將其采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至上位機(jī)，此時應(yīng)用層將上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行可視化，便于操作人員進(jìn)行處理。在硬件層，其主要是由各種傳感器、攝像頭等組合而成，實時獲取采煤機(jī)關(guān)鍵部位的運行狀態(tài)；傳輸層主要功能為信息交互，是硬件層與應(yīng)用層間的樞紐；而應(yīng)用層則可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)識別、監(jiān)測報警、數(shù)據(jù)可視化，并通過軟件將信息呈現(xiàn)于用戶。所以采煤機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要具備的功能如下：信息采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測報警、數(shù)據(jù)儲存。

2 硬件選型

對傳感器進(jìn)行選型，傳感器主要是對溫度、電流、電壓等進(jìn)行監(jiān)測，在進(jìn)行選型時需要考慮傳感器的監(jiān)測范圍；是否滿足防爆要求；適應(yīng)環(huán)境條件；體積較小，便于安裝等，所以本文選定CWP-200 溫度傳感器、GYD1140 電壓傳感器、CLD 電流傳感器及GPD40 壓力傳感器，選用的傳感器均能滿足礦井生產(chǎn)環(huán)境及監(jiān)測數(shù)據(jù)范圍變化大的要求。對采集模塊進(jìn)行選型，結(jié)合先前選定的傳感器，選定Adam 系列模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過Adam-4520 轉(zhuǎn)化為RS422/485 信號進(jìn)行通信。

對上機(jī)位進(jìn)行選型，本文利用Advantech WebAccess 軟件對上機(jī)位進(jìn)行開發(fā)，上機(jī)位需要具備較好的編譯能力及形象的顯示功能。采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測上機(jī)位由工程管理器、客戶端插件、核心程序、DRAW、VIEW 等組成，編制的系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)，同時可以實現(xiàn)多節(jié)點監(jiān)控器或者單節(jié)點監(jiān)控器的獨立或整體運行，有效實現(xiàn)采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)測。

3 采煤機(jī)監(jiān)控評價體系的建立

遵循適量性、獨立性、可測性、一致性、代表性的原則構(gòu)建采煤機(jī)健康狀態(tài)評價體系。建立采煤機(jī)健康狀態(tài)評估體系是個十分復(fù)雜的過程，需要對評估指標(biāo)進(jìn)行定期檢查，從而優(yōu)化評價體系。健康等級可分為健康、良好、一般、劣化及故障五種等級，健康是指評價參數(shù)遠(yuǎn)離預(yù)警值，采煤機(jī)整體運行狀態(tài)良好，發(fā)生故障的幾率很小且無異常記錄。良好是指各項指標(biāo)均在良好運行范圍內(nèi)，部分指標(biāo)接近報警值，發(fā)生故障幾率小。一般為各項監(jiān)測指標(biāo)均在預(yù)警值范圍，存在較為少量的不良工況，此時采煤機(jī)可以勉強(qiáng)運行。劣化是指各項指標(biāo)在預(yù)警值范圍波動，大部分指標(biāo)存在報警行為，此時可考慮停車維修。故障是指監(jiān)控值超過預(yù)警值，繼續(xù)使用會發(fā)生事故，需要進(jìn)行停車維修。

根據(jù)上述條件結(jié)合采煤機(jī)四大部件建立采煤機(jī)健康狀態(tài)評價體系，具體的健康監(jiān)控評估指標(biāo)體系如圖2 所示。

從圖2 可以看出，采煤機(jī)的健康監(jiān)控系統(tǒng)大致四個部分，分別為截割部、牽引部、液壓部、電氣控制部，每個部門又可分為溫度、電壓、振動、壓力、電流等指標(biāo)的監(jiān)測，當(dāng)傳感器接收到采煤機(jī)的運行信號后會將信號進(jìn)行傳輸，經(jīng)過系統(tǒng)分析后確定是否超出設(shè)定的預(yù)警值，當(dāng)檢測的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的預(yù)警值時，此時系統(tǒng)會立刻進(jìn)行故障報警，便于管理者實時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。

圖2 健康監(jiān)控評估指標(biāo)體系

4 評價監(jiān)控系統(tǒng)效果

對設(shè)計的采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)主界面示意如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)主界面

為了驗證采煤機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)運行效果，選定采煤機(jī)運行6 000 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并將分析數(shù)據(jù)分為“健康、良好、一般、劣化、故障”五種狀態(tài)，分別對設(shè)定五種狀態(tài)的“標(biāo)簽”分別記作“H、G、N、D、F”。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)“健康”數(shù)據(jù)共有2 000 組，“良好”的數(shù)據(jù)1 800 組，“一般”數(shù)據(jù)共有1 500 組，“劣化”數(shù)據(jù)500 組，“故障”數(shù)據(jù)200 組，其中一般以上運行狀態(tài)占比為88.3%，采煤機(jī)的整體運行效果較佳，同時驗證了采煤機(jī)故障監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，為礦井采煤機(jī)故障檢測及故障識別提供有效的方案。