掘進機機電故障自動診斷系統的研究

劉一郎

（晉能控股集團成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進作業的核心，其掘進作業時的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下巷道掘進的效率和經濟性。由于煤礦井下巷道綜采環境惡劣而且掘進機整體結構相對復雜，在長期高塵、高振動沖擊作用下，掘進機的機電系統極易受到損壞。目前對于掘進機機電系統的故障主要采取人工排查修復的方案，不僅非常依賴維護人員的專業素質而且井下惡劣的環境也加大了故障排除的難度，嚴重影響了煤礦井下巷道掘進作業的正常進行。

結合自動故障診斷技術的不斷發展，以及掘進機機電系統的實際情況，提出了一種新的掘進機機電故障自動診斷系統。其通過搭建掘進機運行狀態自動巡檢和故障分析邏輯，實現了對機電系統運行狀態的自動監測，一旦機電系統出現異常該自動診斷系統能夠進行故障定位和故障原因分析，為快速解決故障提供技術支持。根據在掘進機上的實際應用表明，新的故障自動診斷系統的故障診斷準確率達到了98.3%，同時通過故障自動定位和分析，能夠將故障排除時間縮短97.1%，為提升掘進機運行穩定性和掘進效率奠定了基礎。

1 掘進機機電控制系統

以EBZ315 掘進機為研究對象，其機電系統共包含了4 組控制電機，第一組用于控制液壓泵驅動電機，實現對掘進機搖臂升降的控制；第二組用于控制除塵驅動電壓，實現對除塵裝置的控制；第三組用于控制截割驅動電機，實現對截割機構的自動控制；第四組用于控制轉載電機，將截割的煤炭轉運出去。同時系統還需要控制液壓系統中各類電磁閥的開合，保證截割作業的穩定性和安全性。

整個機電系統在作業過程中，需要有過載保護、缺相保護等功能，滿足掘進機在不同截割作業狀態下的自動控制需求，是確保掘進機正常掘進作業的核心，因此對掘進機機電系統的自動故障判斷就需要實現對掘進機機電控制系統中所有控制流程信號的全面監測和判斷，從而實現對運行異常信號的快速捕捉和確認，該掘進機機電控制系統總體結構如圖1 所示[1]。

圖1 掘進機機電控制系統結構示意圖

2 故障分類方案

掘進機故障分析是該控制系統的核心，直接決定了該系統的工作可靠性和穩定性，通過對掘進機常見故障的匯總分析，其主要故障類型包括了掘進機驅動電機故障、傳感器故障和系統通信故障。

驅動電機故障主要包括電機過熱故障、過流故障、缺相故障等，首先對掘進機正常工作時各電機的運行狀態進行監控，獲取其正常工況下電機的工作溫度、運行電流、電壓等數值，根據對不同運行狀態的綜合測定，獲取各監測項目的正常數值范圍。當掘進機運行時通過電流、電壓傳感器對各電機的電流和電壓值進行監測，通過紅外溫度傳感器對電機的運行溫度進行監測。傳感器將監測結果實時傳遞到PLC 控制中心，通過對監測值和標準值的對比，可以準確判斷出電機是否出現過熱、過流、過載、缺相、粘連等異常。然后將監測結果傳輸給監控終端，通過過熱提示燈、過流提示燈、過載提示燈、缺相提示燈、粘連提示燈以及聲控系統進行聲光報警。

傳感器常見的故障類型主要是監測信號傳輸不良、傳感器信號異常等，因此在對傳感器故障進行監測時主要通過發送脈沖信號[2]的方法來監測傳感器電路的通斷情況，同時系統對傳感器的信號進行監測分析，若監測信號偏離系統設定的正常范圍，則系統同樣會發出故障報警，提醒維修人員進行排查確認。

由于煤礦井下地質條件惡劣，因此對故障診斷系統數據通信的要求很高，要求能夠在短時間內完成大量數據的傳輸，同時還需要確保數據通信的安全和準確。根據對通信故障類型的分析，目前常見的故障主要包括通信線故障、數據連接點錯誤、電源不足等。因此在系統內設置了CAN 通信狀態分析儀[3]，對整個通信過程中的通信狀態進行監測，定時發出模擬信號，若分析儀能夠接收到數據信號，則說明通信正常，若無法接收信號或者接收到的信號錯誤，則說明通信系統不正常，需要進行排查處理。

3 故障診斷分析平臺

確定故障類型和故障排查方案后，系統的核心是故障分析平臺，各類故障信號均匯總在PLC 控制系統中，然后將數據信息傳遞到故障診斷分析平臺，對各類機電監測信息進行對比，確認最終故障類別并將分析結果顯示在監測終端上，便于技術人員的及時跟進處理。

EBZ315 掘進機在井下巷道掘進作業中，巷道的斷面寬度為4.6 m，平均斜度為6.4°，巷道掘進的斷面積為16.4 m2，井下煤層直接頂為泥巖和砂巖的混合層，基本頂為砂巖，直接底為泥巖，應用故障分析診斷系統對其工作中的應用情況進行分析，當出現故障時系統自動進行指示燈報警，便于實現故障的快速定位和分析，該故障診斷分析平臺終端如圖2 所示[4]。

圖2 故障診斷分析平臺終端界面

由圖2 可知，該系統中，每種類型的故障均有對應的顯示燈，出現故障時對應的顯示燈亮起，便于檢修人員進行故障的快速定位和排除，根據實際應用表明該系統的故障診斷準確率高達98.3%。同時，通過自動定位和故障分析，能夠為檢修人員提供第一手的故障資料，將故障排除時間縮短了97.1%，顯著地提升了煤礦井下掘進機運行的穩定性和可靠性。

4 結論

1）掘進機的主要故障類型包括掘進機驅動電機故障、傳感器故障和系統通信故障。

2）通過溫度、電流和電壓監測，能夠及時識別掘進機驅動電機故障。通過脈沖信號監測能夠及時識別傳感器故障。通過CAN 通信狀態分析儀能夠實現對通信系統運行狀態的實時監測。

3）該系統能夠實現掘進機機電系統的自動故障診斷，診斷準確率達98.3%，將故障排除時間縮短了97.1%，對提升掘進機運行安全性和穩定性具有十分重要的意義。