帶式輸送機監測監控及故障診斷應用
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摘要：針對帶式輸送機常規運行模式存在的監測監控系統未實現全覆蓋、故障率高、運行效率低等問題，在分析帶式輸送機運行現狀的基礎上，提出了監測監控及故障診斷專家系統的設計思路及架構設計，并研發出KJ161型礦井帶式輸送機監控系統，在礦井帶式輸送機上進行了改造安裝。經工業性試驗表明，其降低了設備故障率，提高了設備可靠性，安全生產及技術經濟效益顯著。
關鍵詞：帶式輸送機故障監測故障診斷自動化控制全壽命周期
引言
帶式輸送機作為一種依靠電機帶動、摩擦驅動且能夠連續進行煤炭運輸的機電設備，其工作原理簡單、工作性能可靠、運輸效率高、適應范圍廣，在我國各大礦區得到廣泛應用，且認可度較高。隨著煤炭行業對安全生產工作的重視程度越來越高，以及礦井機電設備對于實現自動化和集中化控制的需求，近年來，各大煤礦持續對主要用電設備實施變頻節能改造、監測監控系統改造、自動化和集中化控制改造等，并對輸送機的保護系統、監測監控系統和故障診斷系統等提出了新的要求和標準[1-4]。本文針對礦井常用的DSJ系列帶式輸送機展開研究，構建輸送機監測監控及故障診斷專家系統，并展開工業性試驗及應用效果分析，實現對帶式輸送機運行狀態的動態監測監控，對各類故障進行預警并指導完成故障處置。
1帶式輸送機運行現狀分析
目前，行業標準要求帶式輸送機運行必須配備六大保護系統，普遍應用了安全監控系統，部分實施了變頻軟啟動改造，但經過現場調研分析及相關文獻檢索[5-7]，分析認為目前井下帶式輸送機還存在以下問題：1）監測監控系統未全面覆蓋。帶式輸送機運輸線路長、生產環節多、工藝復雜、運輸量不均衡、設備負荷變化大，常規監控及保護系統只覆蓋了重點區域，如機頭處、機尾處、轉載點處，但對設備系統的全面感知不足，缺乏對皮帶接頭、振動處、滾筒等關鍵部位的監測與保護，且監測數據的有效性、完整性、真實性、實時性不足，為設備保護及故障診斷提供決策支持不足。2）帶式輸送機運行效率不高。雖然各大煤礦持續對主要用電設備實施變頻節能改造，但目前帶式輸送機的變頻改造往往只是實現了軟啟動和自動啟停，很少能夠真正實現根據皮帶上的運煤量來調節運行速度和電機功率，造成電能的無效浪費，同時也造成設備的無謂磨損和壽面縮減。3）運行工況差、故障率高。經過統計分析，得出帶式輸送機的故障類型主要包括皮帶部分故障、驅動部分故障、張緊部分故障、滾筒部分故障、控制系統故障、監控系統故障、異常停機故障等類型，細分故障項目類型數量更多，部分故障可由目前的監測監控系統識別，處置難度不大，更多的故障發生在監測監控系統的保護之外，識別難度大，處置起來極為困難，影響礦井的正常生產節奏。總的來說，當前我國礦井帶式輸送機整體管理運行模式較為粗放，設備仍未脫離粗大笨重的傳統印象，運行效率不高，節能性差，故障率居高不下，運行信息的獲取、分析、反饋能力差，而且供電系統、控制系統、驅動系統、調度系統互相獨立，或者僅做到了簡單化集成，故障識別及處置程序被動，而且也造成了故障率增大，亟待進行升級改造。
2監測監控及故障診斷專家系統設計
2.1專家系統設計思路
在當前帶式輸送機運行現狀分析的基礎上，新設計的監測監控及故障診斷專家系統應是一個具備高度集成化、信息化、智能化，以及具備良好人機交互性能的整體系統。其設計思路應遵循以下3個方面：1）能夠全面感知設備的工作狀態。除了六大保護系統能夠實現的功能以外，系統還應增加對各滾筒、設備平衡性、皮帶接頭、急停鋼絲繩等部位的全面監測，還能夠動態獲取設備振動、關鍵部位溫度、油液量、電力參數等信息，可創新性地利用視頻技術，對煤流量、堆煤情況進行監測，參數實時上傳控制中心，經處理再反饋出設備是否正常運行、各部件是否發生損壞、損壞的嚴重程度等。2）能夠提供故障識別及處置支持。故障診斷工作應作為專家系統的關鍵模塊之一，也是最具備實用性的功能之一。思路是通過監測監控系統獲取的各類運行參數信息，與正常的工作參數進行比對，從而判斷出設備是否在正常運行，是否出現了系統中預設的故障，如果存在故障，能夠識別故障的類型、位置、起因等，并基于專家系統數據庫，對故障進行預警、提供處置方案等。3）能夠助力實施設備維護及管理。礦井機電設備使用管理及維護工作至關重要，由專家系統對設備的全壽命周期進行管理，對帶式輸送機的運行狀態、參數信息、完好情況、維修保養數據等進行管理，并按照預設周期及實時情況進行養護管理預警。
2.2專家系統架構設計
基于以上設計思路，設計監測監控及故障診斷專家系統總體架構，如圖1所示。系統架構主要包括任務管理及調度模塊、云計算基礎平臺模塊、皮帶輸送機實時數據采集模塊、線下設備數據管理模塊等。其工作模式及流程設計為：由皮帶輸送機實時數據采集模塊進行視頻監控并獲取設備在線狀態數據，故障預警則為數據上傳處理后的反饋行為；由線下設備數據管理模塊進行設備建檔，管理設備缺陷信息、檢修試驗數據、故障診斷數據，并對運行狀態數據進行記錄；數據獲取后實時上傳至云計算基礎平臺，內置海量數據管理系統、分布式數據存儲系統、各數據服務集群等；在云計算基礎平臺之上，再進行皮帶輸送機狀態數據處理，基于算法調度，進行任務管理及調度控制，最終進行皮帶輸送機狀態診斷、預測估計、狀態評估、風險評估、檢修策略制定及檢修維護等各項工作。2.3工況監測及故障診斷流程帶式輸送機通過各大保護系統及故障診斷專家系統，實施皮帶跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超溫等各項保護。其中，跑偏監測及保護是在輸送機上安裝跑偏傳感器，當傳感器識別的角度達到跑偏預設值時，立即停車保護；防滑保護是通過監測滾筒轉速與皮帶運行速度，其速度差作為判別標準，當滑差率超過8%時就觸發報警機制，打滑超過20s時就緊急停車，滑差率超過12%時5s即緊急停車；堆煤保護傳感器設置在落煤點上方，堆煤增多時傳感器發生傾斜，觸發緊急停車操作；皮帶撕裂是通過皮帶內置的縱撕線圈傳感器，并在兩側安裝發射器和接收器裝置，收發信號并進行耦合處置，作出報警和急停動作；對其余各項工況監測及故障診斷均設計了完備的工作流程。
3工業性試驗及效果分析
根據監測監控及故障診斷專家系統架構及功能設計，研發出KJ161型礦井帶式輸送機監控系統，系統由監控主機、各類控制開關、各類保護傳感器、信號中轉站、通用I/O接口、傳輸信號線等組成。線路上，每隔100m設置一個急停閉鎖裝置，每100m安裝一處警報及通信裝置，各分站與監控主機之間通過CAN總線進行連接，實現數據信息的實時傳輸。同時，監控主機設置有計算機并安裝了人機交互軟件，能夠顯示系統的工作信息并進行人機交互，工作截面如圖2所示。利用停產檢修時間，在礦井掘進工作面單部帶式輸送機上進行了KJ161型監控系統的改造安裝及應用。系統基于各類精準傳感器、高效的數據傳輸及處理，有效預防了膠帶打滑、跑偏、撕裂、超溫等機電事故發生，還能夠對發生的各類故障進行預警及處置提示，對減速箱油位、軸承磨損情況、潤滑情況等進行維護保養提示，提高了設備運行的可靠性，對于延長設備使用壽命、提高生產安全系數效果十分顯著。
4結語
礦井機電設備使用維護管理及監測監控管理工作至關重要，是提高礦井生產效益，保障安全生產的重要一環。在對礦井帶式輸送機運行現狀進行分析的基礎上，提出了監測監控及故障診斷專家系統的設計思路及架構設計，并研發出KJ161型礦井帶式輸送機監控系統，經過工業性試驗驗證，該系統能夠提高礦井機電設備的自動化控制水平，大大簡化帶式輸送機操作流程，同時，可以顯著提高設備運行的可靠性，對帶式輸送機運行過程中的各類故障進行預警及處置提示，還可以將設備的被動維修轉化為日常的定期保養維護，降低設備故障率，延長使用壽命，安全生產及技術經濟效益顯著。
作者:張學舜 單位:汾西礦業集團機電管理部