煤矿机电设备故障诊断技术及专家系统在煤矿机电中的应用

　　摘要：为了达到能够使得煤矿机电设备处于一种良好的正常工作状态，我们必须要将煤矿机械设备和信息技术管理方面协调统一起来，对煤矿机电设备进行诊断和维修，这样处理对于煤矿机械的维修管理是相当有必要的。建立矿井调度室远程故障诊断及维护系统是解决问题的很好的方法。本文主要介绍了煤矿机电设备故障诊断技术及专家系统的原理及特点，构建了煤矿机电设备诊断专家系统，并对应用结果进行了分析。

　　关键词：煤矿机电；故障诊断技术及专家系统；诊断；维修

　　1、前言

　　随着矿山开采技术的不断发展和煤矿企业的科学技术水平、安全管理水平的不断提高，综采机电的模式也发生了改变，从简单单一型向综合复合型转变，这样对煤矿的职工的素质和综采机电的诊断技术又提出了更高的要求。综采机电在开发矿业资源、促进矿业发展、实现矿山生产现代化的进程中起着十分重要的作用，其中在矿山岩石钻进、铲装、运输、破碎及选矿等设备中，液压技术已得到广泛的应用。但是，正是由于煤矿企业的工作环境的限制，煤矿大部分都是在井下工作，煤矿的机械在井下工作时，同样也会受到井下环境和作业空间等因素的影响，使得煤矿机械设备易于发生故障，甚至事故，使得机械设备的故障率更高；另一个方面，因为煤矿企业的生产特性等一些自身固有因素的影响，直接决定了使得这些工作在井下的机械的工作空间过小，使得粉尘比较大，而且湿度也加强，更甚至是压力太大的这样的环境下，也给机械设备出现故障的排除增加了更大的困难。尤其新世纪以来，随着采矿业规模日益增大，采矿机械设备也更趋于大型化，连续化，机电一体化，其性能与复杂程度不断提高，对设备故障的诊断也更为复杂。因此，为了达到能够使得综采机电设备处于一种良好的正常工作状态，我们必须要将煤矿机械设备和信息技术管理方面协调统一起来，对综采机电设备进行诊断和维修，这样处理对于煤矿机械的维修管理是相当有必要的。建立矿井调度室远程故障诊断及专家维护系统是解决问题的很好的方法。

　　2、故障诊断技术及专家系统

　　设备故障诊断技术包括故障检测与故障诊断.通常合在一体统称为故障检测和诊断（FDD）。

　　2.1故障的定义和故障诊断的机理

　　设备工作正常是指在煤矿机械设备不出现任何问题，不影响煤矿正常安全生产时，并发挥了其应有的作用、不会造成一些损失等；设备出现异常是煤矿机械设备在运行的过程中，由于机械设备的内部某个部分出现了问题，直接影响到了煤矿机械设备的正常工作，使得机械设备的缺陷进一步被放大，使得机械设备的性能不能发挥，情况恶化，但是机械设备仍然能够进行工作。故障则是指当机电设备的某个部分的缺陷发展到使得机械设备不能正常工作，使得其设备的性能和功能基本丧失的程度。正是因为监测与故障是在设备不停机的情况下进行的，所以，最终这些故障都是通过以状态信号为依据。监测与诊断就是要快速、准确地提取设备运行时二次效应所反映的特征。

　　故障诊断技术是以可靠性理论、信息论、控制论和系统论为理论基础，以现代测试仪器和计算机为技术手段，结合各种诊断对象（系统、设备、机器、装置、工程结构以及工艺过程等）的特殊规律逐步形成的一门新技术，主要包括检查和发现异常、诊断故障状态和部位、分析故障类型、提出诊断决策方案及诊断结论四个基本环节。其基本原理是根据机械、电气等设备运行过程中产生的各种信息，判断设备运行是属于正常还是异常，识别设备或机器是否发生故障，并对设备未来状态进行预测，确定最合适的维修方案和检修周期。作为一门交叉性学科领域，故障诊断技术在过去的几十年里得到了飞速发展，一些新的理论与方法已经得到了成功的应用。而非线性系统的故障诊断是当前故障诊断领域研究的热点与难点问题。在生产过程中，大型设备发生的故障是各种各样的，而根据系统采用的特征描述和决策方法的差异，形成了不同的故障诊断方法，具体可分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三大类。

　　2.2故障诊断过程

　　1）状态监测。主要是与设备运行有关的状态信号。

　　2）特征提取。就是从设备运行的状态信号中发现并提取一些与设备运行过程中出现的故障及相关的特征信息。

　　3）故障诊断。故障诊断就是根据之前所获取的信息，并且通过相关的补充测试等一些辅助性的信息来找到设备故障的位置。

　　4）决策。根据设备故障特征状态，和趋势，做出决策。设备诊断是经过分析处理以获得最能识别设备状态的特征参数。机械设备运行时产生多种信息，当其功能出现相应的异常信息，机械劣化过程产生的油液成分变化的化学信号等。利用检测仪器，做出正确的分析和诊断，可以及时预测机器设备可能发生的故障。

　　2.3设备故障诊断技术及专家系统概述

　　专家系统是一种以知识为基础的智能化的故障诊断技术的应用系统，使用知识与推理过程，求解那些专家才能求解的高难度问题。在采用先进传感技术与信号处理技术的基础上研制开发的设备故障诊断专家系统，将现代科学的优势同领域专家丰富经验与思维方式的优势结合起来，已成为设备诊断技术发展的主要方向。如果系统在运行过程中发生故障，则专家系统很快就可以根据经验确定故障的原因和部位。这种方法对于复杂系统

　　的故障诊断非常有效。随着计算机和人工智能技术的发展，专家系统诊断方法的智能化不断提高，它克服了基于模型的故障诊断方法对模型的过分依赖性，成为故障诊断的有效方法，并在很多系统中得到了广泛应用。

　　3、机电故障诊断技术及专家系统的特点

　　随着科学技术的高速发展，促进了现代维修理论等相关基础学科理论和各种检查技术的发展，并且工艺手段也在不断的更新和完备。根据煤矿机械设备故障的发生时间、位置等总结了机电故障诊断技术及专家系统的特点。我们可以从以下三个方面进行分析。

　　3.I目的明确

　　为了更好的确定机械运行的状态、检查相关部位的故障情况，从而可以分析出故障所发生的原因，并且可以根据原因制定经济有效的维修方案.

　　3.2实践性强

　　正是由于煤矿企业的工作环境的限制，煤矿大部分都是在井下工作，煤矿的机械在井下工作时，同样也会受到井下环境和作业空间等因素的影响，使得煤矿机械设备易于发生故障，甚至事故，使得机械设备的故障率更高，使用故障诊断技术，使得处理结果能够很快得到实践验证。

　　4、煤矿机电设备诊断专家系统的构建

　　煤矿机电设备诊断专家系统是利用各种类型的诊断知识通过对监测到的信息进行分析、处理，对设备运动状态进行判断和推理的软件系统。一旦设备发生异常，它可以通过推理判断找出故障的原因和发生故障的位置，最后给出诊断推理过程的解释和故障处理对策，在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前主动实施维修。它为设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。司马煤业公司机电设备诊断专家系统以设备运行状况及计算机网络构成为依据，以数据库技术和NET技术为手段开发，采用C/S模式，应用范围可涵盖所有在役设备，主要由设备综合管理模块、故障诊断模块、维修助手模块、预警提醒模块等功能模块或子系统等组成。

　　4.1设备综合管理模块

　　设备故障诊断需要大量描述设备状态及其演变过程的准确数据，即要有足够的信息用于分析与决策，这就是设备数据综合管理。该模块管理、存储所有设备资产清单、设备台帐图纸、设备设计数据、设备安装状况及系统图、维修历史数据、设备变更与维修记录、设备状态监测与诊断数据、事故及异常记录、测点设置、设备可靠性状态统计分析数据等等。

　　4.2故障诊断模块

　　1）专家库维护：主要用于维护专家库内的知识和经验，具体的说就是维护选定设备的征兆库，故障库以及征兆与故障之间的逻辑关联。

　　2）诊断推理：对选定设备进行故障诊断，推理方式包括正向推理、反向推理及正反向混合推理，并根据推理结果给出维修对策。

　　4.3维修助手模块

　　维修助手中分门别类的存放了关于设备资料、维修资料、专家资料及应急预案在内的所有文件和资料，实现了对与设备相关的所有文件资料的规范化统一管理。在需要之时可以迅速找到相关资料，包括设备说明书、设备性能参数、设备图片、设备图纸、设备视频、维修作业标准、维修技术标准、维修方法、专家资料、应急预案等。为设备的安装维护，检查调试，定期检修，故障处理，事故应对，专家咨询等各个方面提供技术支持和操作帮助。

　　4.4预警提醒模块

　　1）故障预警：根据在线监测设备采集到的各项性能数据和指标对选定设备出现的故障进行预警，以便及早采取措施。

　　2）维修提醒：根据选定设备的维修或维护周期，提醒设备维修人员在合理的时间对设备进行维修或维护。对单一设备，根据不同运行方式和维修方式，运用技术经济分析方法，对维修费用、效益进行评估，给出对该设备来说最佳维修时间、维修措施和维修项目，并形成维修决策报告。

　　5、应用与分析

　　在煤矿生产过程中，正是综采机电故障的多样性，成因的复杂性和进行故障诊断所需要的知识对诊断策略的依赖性。因此，基于综采机电自身的工作特性，提出了机电一体化产品的综采机电远程故障诊断。因此，传感信息融合的自适应能力是非常重要的，这样将有利于提高诊断策略的可靠性。

　　5.1矿井提升机检测与故障诊断

　　矿井提升机的功能和作用，对于煤矿工作人员来说，这并不陌生，因为矿井提升机是煤矿企业实现矿井生产、运输的主要设备之一。而且还是连接井下和地面的关键部位，它主要的作用是起到提升原煤、矸石等，下放材料和升降人员等运输任务。煤矿提升机的安全高效的运行，与煤矿企业的安全生产和整个煤矿系统人员的生命安全有着密切的关系。煤矿提升机的故障主要表现在两个方面，第一个就是“硬故障”，第二个就是“软故障”等这两类。硬故障是指由于机电设备在工作过程中，在已经设计好的参数出现了超限，使得机电设备遭到破坏，所以此类故障我们可以通过保护装置来处理；而“软故障”需要测量许多设计的工况参数，并且还需要经过数据处理才能得出一些诊断结果出来，但是由于在诊断过程中，测量的数据较多，从而导致了起准确性比较低，综合而言，“软故障”往往是“硬故障”的前兆。所以，这就说明了“软故障”的诊断准确性和及时性，对预防“硬故障”有着重要的作用，为了有效的保证矿井提升机的安全高效的为煤矿企业服务，通过许多科学技术人员的不懈努力，取得了很多的可喜成果，并且研制出了很多提升机的检测诊断装置。

　　5.2通风机的检测诊断技术

　　在当前情况下，关于主风机故障检测诊断方面的相关产品还不是很多，然而比较典型装置是KFCA型通风机集中检测仪、FJZ型矿井主风机在线监测与故障诊断仪。FJZ型矿井主风机在线监测与故障诊断仪是一个以809机为核心的通风机在线检测与故障诊断系统，它将主风机在线监测与机械故障诊断一体化。8098单片机系统是目前面向控制应用领域性能价格比最高的单片微型计算机系统。

　　系统的主要功能：

　　第一，主要起到实时检测的功能，主要检测量：轴心轨迹、轴温量、负压、通风机电流，并可巡回显示。

　　第二，报警、打印。各种参数报警值可任意设定超限时即可进报警并随机打印。

　　第三，智能诊断。利用主机内专家系统，对通风机常见的“转子”等机械故障进行诊断。故障诊断采用灰度理论对风机故障类型进行快速定位。首先测出通风机敏感部位的振动加速度，并计算其烈度值和功率谱，再根据设备标准故障模式进行灰色关联度分析，并且按照关联度的大小，以此来诊断通风机的机械故障类型。

　　煤矿机电设备诊断系统在神东已经得到实际应用，到目前为止，设备的说明书、性能参数、图片资料、图纸资料、视频资料、维修资料、专家资料、应急预案等资料和数据的录入工作已经基本完成，其他相关数据的录入和试运行工作进展情况良好。诊断知识库也正在以大型关键设备为试点，有计划有步骤地建立和完善。系统的应用对煤矿企业机电设备资源和技术资源进行统一集成管理，规范和完善了现有机电设备管理体系，大大简化了设备管理和维护的过程，并实现了企业机电设备的故障智能诊断，提高了设备管理的效率和水平，为企业带来了一定的经济和社会效益。它的高效性、科学性对于提高企业设备管理部门的工作效率，提升管理水平具有十分重要的意义，为提高安全生产管理水平提供了更为广阔的空间。

　　故障诊断专家系统的优点是：适于人的思维，容易理解，知识可用基本规则表示，无需输入大量的细节知识；个别事实发生变化时易于修改；能解释自己的推理过程。然而，在智能诊断专家系统的应用取得初步成果的后面仍存在明显的局限性，如实现故障诊断的准确度依赖于知识库中专家知识的丰富程度和专家知识水平高低；建立知识库困难，有些经验难以通过形式化的方式来描述；当系统规模较大时还存在着“冲突消解”和“组合爆炸”等问题；推理效率低，缺少自学习和自适应机制。

　　6、结语

　　设备故障诊断专家系统是煤矿机电设备完好率的重要保障。系统的应用使煤矿机电设备的检修逐渐实现了预知维修、状态维修，以保证机电设备可靠运转，为煤矿企业安全生产提供了有力保障。而专家系统由于其自身特点，在设备诊断和维修中越来越显示出其优越性，虽然故障诊断技术已得到很大发展，但还存在各种问题有待研究和解决。欲使故障诊断技术不断取得进展并在生产实践中得到应用，必须和当代的前沿学科相结合，引入相关学科中的新思维和新方法，并善于从生产实际中提出问题，归纳提高到理论和方法的高度进行研究和探讨。

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　　作者简介：王再翔，男，1972年9月7日出生，工程师，内蒙古鄂尔多斯市人，神华神东煤炭集团公司工作，主要从事煤矿设备加工制造监理工作。