基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)

張雅楠 李飛 卞學(xué)平 韓志鑫 王璇 於思彤

摘?要：針對(duì)目前煤礦提升設(shè)備采集速率低、采集參數(shù)少，反饋不精確等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許技術(shù)人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程獲取設(shè)備的工況及故障診斷信息，可以極大地減少時(shí)間、金錢和技術(shù)人員精力的支出。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)故障樹(shù)分析法，建立合理的報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用PLC和上位機(jī)的共同配合處理故障信息，從而提高工作效率，減少生產(chǎn)損失，為煤礦帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：工況監(jiān)測(cè);智能診斷;云平臺(tái);故障診斷

當(dāng)今，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已滲透于生產(chǎn)與生活的方方面面，人們逐漸習(xí)慣于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)去獲取數(shù)據(jù)和信息。而“物聯(lián)網(wǎng)”是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的一個(gè)重要發(fā)展階段[1]。與此同時(shí)，礦產(chǎn)資源身為工業(yè)及人類生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，一直為人所重視。由于礦產(chǎn)資源的挖掘采集多為地下作業(yè)，井上與井下之間的運(yùn)輸難免會(huì)發(fā)生各種突如其來(lái)的狀況。因此，提升設(shè)備運(yùn)行狀況的好壞與否將直接影響著工人的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于提升系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)，仍然只是利用上位機(jī)對(duì)故障進(jìn)行簡(jiǎn)單的指示和記錄。而上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的速率有限且參數(shù)較少，無(wú)法精確地判斷出故障的先后順序。因此在故障發(fā)生后，上位機(jī)的報(bào)警系統(tǒng)往往會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多條記錄，無(wú)法幫助技術(shù)人員準(zhǔn)確快速地排除故障，造成時(shí)間上的延誤。輕則造成煤礦的財(cái)產(chǎn)損失，重則危及到工人的人身安全，存在著許多弊端[5-7]。

針對(duì)目前煤礦提升系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)速率低、參數(shù)少、反饋不精確等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的提升設(shè)備工況監(jiān)測(cè)和智能診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由故障監(jiān)測(cè)與智能診斷云平臺(tái)和首發(fā)故障檢測(cè)本地平臺(tái)兩部分組成。利用云平臺(tái)，技術(shù)人員可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，隨時(shí)對(duì)提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用云端服務(wù)器對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷;而首發(fā)故障檢測(cè)平臺(tái)則能夠第一時(shí)間記錄首發(fā)故障信息，然后通過(guò)云平臺(tái)通知技術(shù)人員，這樣可以極大地減少生產(chǎn)方時(shí)間、金錢和精力的支出。

1 故障監(jiān)測(cè)與智能診斷云平臺(tái)

隨著智能手機(jī)的普及，特別是近年來(lái)Wi-Fi、4G技術(shù)的飛速發(fā)展，以及即將到來(lái)的5G技術(shù)，都將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)推向了時(shí)代的最前沿。這也為基于云平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)診斷系統(tǒng)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。本文提出的監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)首先在云端通過(guò)B/S模式的網(wǎng)頁(yè)制作技術(shù)搭建工況監(jiān)測(cè)與故障診斷平臺(tái);然后將提升系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行快速處理;最后通過(guò)客戶端即可對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包括云服務(wù)器診斷中心和客戶端平臺(tái)兩部分內(nèi)容。云服務(wù)器診斷中心的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是用于接收和存儲(chǔ)上位機(jī)海量數(shù)據(jù)的云端數(shù)據(jù)庫(kù)以及故障診斷算法的開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)充分利用了云服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，快速地分析接收到的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化的故障診斷算法準(zhǔn)確地提取出故障信息。系統(tǒng)客戶端的開(kāi)發(fā)由本地服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)端程序和移動(dòng)端APP兩個(gè)部分組成。上位機(jī)將采集的海量數(shù)據(jù)通過(guò)路由器發(fā)送到云服務(wù)器診斷中心進(jìn)行快速處理。同時(shí)本地客戶端與云服務(wù)器進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)獲取云診斷中心處理過(guò)的監(jiān)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式就可以像處理本地?cái)?shù)據(jù)一樣對(duì)遠(yuǎn)程的提升設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。此外，還可實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改、程序編譯和下載等功能，相當(dāng)于提供了24小時(shí)的專家級(jí)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持。完全不受空間、時(shí)間的限制，大大提高了工作效率。

2 首發(fā)故障檢測(cè)本地平臺(tái)

煤礦提升系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槟骋粋€(gè)故障的發(fā)生引發(fā)其他一系列故障報(bào)警。因此，如果系統(tǒng)能夠檢測(cè)出首先發(fā)生的故障，則大大有利于故障原因的排查，從而減少技術(shù)人員的工作量，提高生產(chǎn)效率。

本文提出的具有首發(fā)故障檢測(cè)、智能上位機(jī)監(jiān)控、高速數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程服務(wù)功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了當(dāng)今工控行業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)，包括：

·高速數(shù)據(jù)采集和分析軟件;

·基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程支持軟件;

·西門子公司SIMATIC系列軟件和網(wǎng)絡(luò)通訊硬件;

·基于西門子公司SIMATIC WINCC軟件開(kāi)發(fā)的面向用戶的智能上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);

·先進(jìn)的首發(fā)故障檢測(cè)技術(shù);

·系統(tǒng)集成技術(shù)和后臺(tái)技術(shù)支持系統(tǒng)。

首發(fā)故障檢測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)首發(fā)故障源的智能判斷，并按照故障發(fā)生的先后順序自動(dòng)排序。解決了現(xiàn)場(chǎng)故障出現(xiàn)后，故障源難以準(zhǔn)確辨認(rèn)的問(wèn)題。智能上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件WINCC。其界面直觀友好，所有的故障均具備“信息三指示”功能，即準(zhǔn)確指示故障信息的文字、故障對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備位置和故障對(duì)應(yīng)的圖紙及程序位置，解決了現(xiàn)場(chǎng)故障指示不清晰問(wèn)題。

此外，本系統(tǒng)還具有記錄故障停車時(shí)的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間及制動(dòng)前后的速度、行程、電流波形，并進(jìn)行云端存儲(chǔ)和備份。采用云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份，具有硬件投資少、性能可靠和可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，并且與云端故障監(jiān)測(cè)和診斷平臺(tái)完美融合。

首發(fā)故障檢測(cè)與智能診斷算法的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）首發(fā)故障的判斷;

（2）故障的分類：提升機(jī)系統(tǒng)的故障種類繁多，有PLC自身故障、外部設(shè)備硬件故障、內(nèi)部程序軟件故障等，對(duì)故障進(jìn)行合理的分類將對(duì)分析和處理故障有很大的幫助;

（3）故障樹(shù)分析：對(duì)系統(tǒng)失效進(jìn)行細(xì)致分析（頂事件），逐層向下追究所有可能的原因，找出系統(tǒng)元件失效、環(huán)境影響、人為失誤及程序處理等硬件和軟件因素（底事件）與系統(tǒng)失效頂事件之間的邏輯關(guān)系;

（4）故障先進(jìn)先出隊(duì)列的建立：故障按發(fā)生時(shí)間的先后順序進(jìn)入隊(duì)列，然后由上位機(jī)將隊(duì)列中的故障按時(shí)間順序顯示出來(lái);

（5）根據(jù)故障分類及故障樹(shù)分析法，建立合理的故障報(bào)警信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 工況監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)以上分析，該工況監(jiān)測(cè)與智能診斷系統(tǒng)可以在以下四個(gè)方面為用戶帶來(lái)益處：

（1）預(yù)防性維護(hù)。為降低設(shè)備失效或功能退化的概率，按預(yù)定的時(shí)間間隔或規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)。

（2）偶發(fā)性疑難故障排除。由外部環(huán)境偶發(fā)因素引起的故障，可通過(guò)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及圖表進(jìn)行一段時(shí)間或故障點(diǎn)前后幾個(gè)周期的跟蹤，分析出偶發(fā)問(wèn)題因素進(jìn)行整改;而積累性誤差引起的疑難故障，可采集較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)或圖形，對(duì)比期間變化，計(jì)算出結(jié)果進(jìn)行排除。

（3）性能優(yōu)化。觀察運(yùn)行曲線，對(duì)比相關(guān)參數(shù)，修正觸發(fā)信號(hào)的時(shí)效性，縮短運(yùn)行周期，提高生產(chǎn)效率。

（4）運(yùn)行記錄。本系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)圖表，為遠(yuǎn)程分析和遠(yuǎn)程服務(wù)提供數(shù)據(jù)保證，同時(shí)也可作為事故分析的依據(jù)。此外，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)開(kāi)發(fā)的，所有數(shù)據(jù)同步在云端存儲(chǔ)，避免了數(shù)據(jù)損壞或者丟失問(wèn)題。

4 結(jié)論

煤礦生產(chǎn)中，保障礦井提升設(shè)備正常工作是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為煤礦生產(chǎn)中的咽喉設(shè)備，本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度的提升和系統(tǒng)故障率的降低，同時(shí)還可以極大地提升系統(tǒng)工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟勛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜述[J].中國(guó)科技信息，2018（23）：46-47.

[2]李浩洋.礦井提升機(jī)械安全可靠技術(shù)研究[J].當(dāng)代化工研究，2019（07）：64-65.

[3]孫慧卿.基于行為安全管理的礦井提升系統(tǒng)安全管理研究[J].水力采煤與管道運(yùn)輸，2019（02）：11-13.

[4]馬衍頌.擾動(dòng)工況下深部礦井提升主繩多向耦合振動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理及抑制策略研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2019.

[5]寇少凱.深井提升系統(tǒng)故障診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D].太原理工大學(xué)，2018.

[6]劉毅紅，敬華兵.冗余PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].控制與信息技術(shù)，2018（01）：38-41+51.

[7]常用根，江帆，陳瀟.礦井提升裝備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2018，44（02）：38-42.

基金項(xiàng)目：江蘇師范大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810320109Y）

作者簡(jiǎn)介：李飛，江蘇徐州人，博士，江蘇師范大學(xué)電氣學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。