采煤機故障監控系統設計研究

徐 浩

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030024）

引言

隨著我國經濟的不斷發展，國民生產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。據統計我國的煤炭資源在能源消耗中占據七成以上的比重，足以見得煤炭資源的重要性。采煤機作為煤礦截煤、落煤、裝煤的重要機械設備，其在煤礦開采中占據及其重要的位置。在采煤機的日常工作中，由于礦井環境較為惡劣，常常會受到瓦斯事故、沖擊、負載等影響，使得采煤機發生故障，嚴重制約著煤礦的生產[1-2]。對此眾多學者對采煤機部件的薄弱環節及采煤機的電控系統、截割系統等進行過研究，為采煤機的高效穩定運行提供一定的保障[3-4]。為了保證采煤機運行的可靠性與安全性，本文對采煤機健康狀態進行研究，設計了采煤機健康狀態監控系統，有效提升了設備的管理及日常維護效率，保證了企業的生產效率，為礦井降本增效提供一定的參考。

1 總體設計

采煤機作為煤礦開采的重要設備，其一旦發生故障將會造成極大的停產損失，所以對常見故障進行梳理建立采煤機健康狀態監控系統。采煤機由截割部、電氣控制部、液壓部、牽引部、輔助裝置構成，其常見故障可以分為三種類型。

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

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

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，造成機械故障。

目前對采煤機運行監測的方案眾多，其中溫度監測是采煤機監測的重要指標，主要是對油液溫度、電機溫度及部件溫度進行采集，并將采集的數據上傳從而進行實時監測，當系統發現溫度、管路等出現異常時，會立刻進行報警。本文設計的采煤機健康監控系統從下而上依次可以分為硬件層、傳輸層和應用層。具體設計建構框架如圖1 所示。

圖1 設計建構框架圖

從圖1 可以看出，硬件層將采煤機的實時運行狀態參數進行采集，并將其采集的數據實時傳輸至上位機，此時應用層將上位機的數據進行分析并進行可視化，便于操作人員進行處理。在硬件層，其主要是由各種傳感器、攝像頭等組合而成，實時獲取采煤機關鍵部位的運行狀態；傳輸層主要功能為信息交互，是硬件層與應用層間的樞紐；而應用層則可以進行數據存儲、狀態識別、監測報警、數據可視化，并通過軟件將信息呈現于用戶。所以采煤機的狀態監測系統需要具備的功能如下：信息采集、數據處理、監測報警、數據儲存。

2 硬件選型

對傳感器進行選型，傳感器主要是對溫度、電流、電壓等進行監測，在進行選型時需要考慮傳感器的監測范圍；是否滿足防爆要求；適應環境條件；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環境及監測數據范圍變化大的要求。對采集模塊進行選型，結合先前選定的傳感器，選定Adam 系列模塊進行數據的采集，將采集到的數據通過Adam-4520 轉化為RS422/485 信號進行通信。

對上機位進行選型，本文利用Advantech WebAccess 軟件對上機位進行開發，上機位需要具備較好的編譯能力及形象的顯示功能。采煤機健康狀態監測上機位由工程管理器、客戶端插件、核心程序、DRAW、VIEW 等組成，編制的系統可以實現遠程監控和遠程維護，同時可以實現多節點監控器或者單節點監控器的獨立或整體運行，有效實現采煤機健康狀態監控系統的實時監測。

3 采煤機監控評價體系的建立

遵循適量性、獨立性、可測性、一致性、代表性的原則構建采煤機健康狀態評價體系。建立采煤機健康狀態評估體系是個十分復雜的過程，需要對評估指標進行定期檢查，從而優化評價體系。健康等級可分為健康、良好、一般、劣化及故障五種等級，健康是指評價參數遠離預警值，采煤機整體運行狀態良好，發生故障的幾率很小且無異常記錄。良好是指各項指標均在良好運行范圍內，部分指標接近報警值，發生故障幾率小。一般為各項監測指標均在預警值范圍，存在較為少量的不良工況，此時采煤機可以勉強運行。劣化是指各項指標在預警值范圍波動，大部分指標存在報警行為，此時可考慮停車維修。故障是指監控值超過預警值，繼續使用會發生事故，需要進行停車維修。

根據上述條件結合采煤機四大部件建立采煤機健康狀態評價體系，具體的健康監控評估指標體系如圖2 所示。

從圖2 可以看出，采煤機的健康監控系統大致四個部分，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、電流等指標的監測，當傳感器接收到采煤機的運行信號后會將信號進行傳輸，經過系統分析后確定是否超出設定的預警值，當檢測的數據超過設定的預警值時，此時系統會立刻進行故障報警，便于管理者實時發現系統故障。

圖2 健康監控評估指標體系

4 評價監控系統效果

對設計的采煤機健康狀態監測系統進行應用研究，采煤機健康監測系統主界面示意如圖3 所示。

圖3 采煤機健康監測系統主界面

為了驗證采煤機故障監控系統運行效果，選定采煤機運行6 000 組數據進行分析。并將分析數據分為“健康、良好、一般、劣化、故障”五種狀態，分別對設定五種狀態的“標簽”分別記作“H、G、N、D、F”。通過統計分析發現“健康”數據共有2 000 組，“良好”的數據1 800 組，“一般”數據共有1 500 組，“劣化”數據500 組，“故障”數據200 組，其中一般以上運行狀態占比為88.3%，采煤機的整體運行效果較佳，同時驗證了采煤機故障監控系統的可行性，為礦井采煤機故障檢測及故障識別提供有效的方案。