礦井提升機運行狀態監測與故障診斷研究

秦 剛

（山西晉煤集團坪上煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 引言

提升機是大型的機組設備，組成系統的復雜性決定其故障發生的不確定性和故障形式的多樣化。一旦發生故障，不僅直接影響礦山的經濟效益和生產能力，并且會威脅到井下作業與管理人員的生命安全。在提升機的實時運行中，故障的產生并不是單一出現的，一種故障經常會導致多種故障的出現。同一種故障征兆可能對應幾種不同的故障原因，或者同一種故障原因又可能引起幾種不同的故障征兆。故障的發生呈現耦合狀態，可否正確找到故障源就格外重要。為此，作者研究了基于組態王平臺的礦井提升機狀態監測與故障診斷系統。

2 提升機組成與常見故障

礦井提升機主要包括運行系統、制動系統、潤滑系統、控制系統、繩襯系統、主軸系統、操作和觀測系統等部分。通過資料查詢、現場收集以及試驗測試等方法收集提升機運行系統和制動系統的常見故障，以多繩摩擦式提升機為例，用故障樹的形式表達常見故障如圖1 所示。

3 故障診斷系統設計

系統設計包括三個部分：現場數據采集、規則獲取和故障診斷系統。故障診斷系統結構圖如圖2所示。

（1）現場數據采集

利用研華的工業控制計算機作為硬件主支撐、組態軟件KingView6.53 監測平臺作為軟件主支撐。一則通過 S7-300 PLC 的 I/ O 模塊直接讀取提升機狀態參數：二則通過PCI1713 板卡讀取加速度振動傳感器的振動信號，此傳感器安裝于提升機的軸承座上，從而完成數據的采集。

（2）故障診斷推理機

現場采集的信息量常常含有不確定性、隨機性及模糊性，大多的數據是不需要的，是屬于冗余數據。有效地除去不需要的數據，獲得更符合生產現場更加簡單的有效決策規則，是故障診斷的關鍵。在決策信息系統中，有眾多的條件屬性，從這眾多的條件屬性中分析選取出需要的屬性就是屬性約簡。假設一個決策表中有N 個條件屬性，就會產生2N-1 個約簡結果，實際需要的只是其中一個最能表達決策意圖并且最簡單的那一種。進行條件屬性約簡時，根據取不同的等價關系得到n 種約簡，其每個約簡對應一個簡化的決策表，每個決策表約簡后會產生對應的集合規則。利用粗糙隸屬度函數計算相應規則計算置信度μ，當μ＞=0.8 時，計入規則集，從而形成故障診斷知識庫。粗糙隸屬度函數如下。

設一個知識系統為S=（U，R） ，設iR R? ，X U? ，x U? ，則：

故障診斷流程如圖3 所示。

圖1 提升機組成以及常見故障

圖2 故障診斷系統結構圖

圖3 故障診斷推理機圖

（3）系統功能設計

系統的核心部分是軟件系統的開發與設計，軟件的選用必須和硬件相符合，本系統選用組態王軟件作為整個監測系統的基本平臺，并結合 SQLServer 數據庫，完成了對礦井提升機故障的在線監測以及數據的傳輸與存儲。系統功能設計有： 用戶登錄與管理功能、技術參數查詢功能、監測實時畫面功能、數據報表功能、在線故障診斷、報警記錄功能。

① 監測實時畫面功能：能夠真實地描繪現場，有實時曲線和實時數據兩種表達方式。能夠實時地顯示提升系統的運行狀態，包括罐籠位置、速度、提升方向、制動油壓、電機電流等，并與實際工作狀態同步。

② 數據報表功能：數據報表有實時數據報表和歷史數據報表功能，可實現報表打印、打印預覽、報表設置、報表保存等功能，同時會以生成報表的形式送到診斷中心供參考。可進行歷史數據查詢，根據需要查詢內容的起止時間和查詢間隔，從歷史庫中查詢指定變量的數據，填寫到指定的報表上，并可進行保存與打印。

③ 報警記錄功能：當監測變量超出預定設計值時，系統會把報警記錄寫入報警界面中，生成報警記錄。同時報警燈從暗灰色變為紅色，產生報警信號。對提升機運行具有監測和保護功能，及時發現并排除故障隱患。

系統監測畫面如圖4 所示。

圖4 實時監測畫面

4 試驗研究

本文以坪上煤業副立井提升機為研究對象，模擬制動系統和運行系統常見故障為樣本，故障用Di(i=1,2 ┈6)集合表示，故障征兆采用布爾型屬性值0 或者1，用來判別故障的有無發生，用Ci(i=1,2 ┈8)集合表示。現場收集數據102 組，提取其中78 組成立故障決策表。故障樣本如表1 所示。

（1）故障樣本

表1 故障樣本

（2）決策表的創建，如表2 所示。

表2 決策表的創建

（3）條件屬性約簡，如表3 所示。

表3 條件屬性約簡表

（4）屬性值約簡，如表4 所示。

表4 屬性值約簡表

（5）約簡后最終決策表，并計算粗糙隸屬度，如表5 所示。

表5 約簡對應決策表

選取置信度為0.8，由此得到有效選規則集合，故障的原因與位置較符合坪上煤業礦井提升機實際運行狀態。約簡對應規則集如表6 所示。

表6 約簡對應規則集

5 結論

本文將裝備故障診斷技術與數據庫技術融合起來，研究出一組基于組態王平臺的礦井提升機狀態監測與故障診斷系統，并進行相應的試驗研究。試驗結果表明：該監測與診斷系統能真實地反映礦井提升機運行狀態，并能實時了解和發現礦山設備是否出現故障。一旦出現故障，則及時采取相應的措施，避免事故的發生及事故帶來的巨大經濟損失，從而實現按狀態維修。