带式输送机监测监控及故障诊断专家系统的设计及应用

张学舜

（汾西矿业集团机电管理部，山西 介休 032000）

引言

带式输送机作为一种依靠电机带动、摩擦驱动且能够连续进行煤炭运输的机电设备，其工作原理简单、工作性能可靠、运输效率高、适应范围广，在我国各大矿区得到广泛应用，且认可度较高。随着煤炭行业对安全生产工作的重视程度越来越高，以及矿井机电设备对于实现自动化和集中化控制的需求，近年来，各大煤矿持续对主要用电设备实施变频节能改造、监测监控系统改造、自动化和集中化控制改造等，并对输送机的保护系统、监测监控系统和故障诊断系统等提出了新的要求和标准[1-4]。本文针对矿井常用的DSJ 系列带式输送机展开研究，构建输送机监测监控及故障诊断专家系统，并展开工业性试验及应用效果分析，实现对带式输送机运行状态的动态监测监控，对各类故障进行预警并指导完成故障处置。

1 带式输送机运行现状分析

目前，行业标准要求带式输送机运行必须配备六大保护系统，普遍应用了安全监控系统，部分实施了变频软启动改造，但经过现场调研分析及相关文献检索[5-7]，分析认为目前井下带式输送机还存在以下问题：

1）监测监控系统未全面覆盖。带式输送机运输线路长、生产环节多、工艺复杂、运输量不均衡、设备负荷变化大，常规监控及保护系统只覆盖了重点区域，如机头处、机尾处、转载点处，但对设备系统的全面感知不足，缺乏对皮带接头、振动处、滚筒等关键部位的监测与保护，且监测数据的有效性、完整性、真实性、实时性不足，为设备保护及故障诊断提供决策支持不足。

2）带式输送机运行效率不高。虽然各大煤矿持续对主要用电设备实施变频节能改造，但目前带式输送机的变频改造往往只是实现了软启动和自动启停，很少能够真正实现根据皮带上的运煤量来调节运行速度和电机功率，造成电能的无效浪费，同时也造成设备的无谓磨损和寿面缩减。

3）运行工况差、故障率高。经过统计分析，得出带式输送机的故障类型主要包括皮带部分故障、驱动部分故障、张紧部分故障、滚筒部分故障、控制系统故障、监控系统故障、异常停机故障等类型，细分故障项目类型数量更多，部分故障可由目前的监测监控系统识别，处置难度不大，更多的故障发生在监测监控系统的保护之外，识别难度大，处置起来极为困难，影响矿井的正常生产节奏。

总的来说，当前我国矿井带式输送机整体管理运行模式较为粗放，设备仍未脱离粗大笨重的传统印象，运行效率不高，节能性差，故障率居高不下，运行信息的获取、分析、反馈能力差，而且供电系统、控制系统、驱动系统、调度系统互相独立，或者仅做到了简单化集成，故障识别及处置程序被动，而且也造成了故障率增大，亟待进行升级改造。

2 监测监控及故障诊断专家系统设计

2.1 专家系统设计思路

在当前带式输送机运行现状分析的基础上，新设计的监测监控及故障诊断专家系统应是一个具备高度集成化、信息化、智能化，以及具备良好人机交互性能的整体系统。其设计思路应遵循以下3 个方面：

1）能够全面感知设备的工作状态。除了六大保护系统能够实现的功能以外，系统还应增加对各滚筒、设备平衡性、皮带接头、急停钢丝绳等部位的全面监测，还能够动态获取设备振动、关键部位温度、油液量、电力参数等信息，可创新性地利用视频技术，对煤流量、堆煤情况进行监测，参数实时上传控制中心，经处理再反馈出设备是否正常运行、各部件是否发生损坏、损坏的严重程度等。

2）能够提供故障识别及处置支持。故障诊断工作应作为专家系统的关键模块之一，也是最具备实用性的功能之一。思路是通过监测监控系统获取的各类运行参数信息，与正常的工作参数进行比对，从而判断出设备是否在正常运行，是否出现了系统中预设的故障，如果存在故障，能够识别故障的类型、位置、起因等，并基于专家系统数据库，对故障进行预警、提供处置方案等。

3）能够助力实施设备维护及管理。矿井机电设备使用管理及维护工作至关重要，由专家系统对设备的全寿命周期进行管理，对带式输送机的运行状态、参数信息、完好情况、维修保养数据等进行管理，并按照预设周期及实时情况进行养护管理预警。

2.2 专家系统架构设计

基于以上设计思路，设计监测监控及故障诊断专家系统总体架构，如图1 所示。系统架构主要包括任务管理及调度模块、云计算基础平台模块、皮带输送机实时数据采集模块、线下设备数据管理模块等。其工作模式及流程设计为：由皮带输送机实时数据采集模块进行视频监控并获取设备在线状态数据，故障预警则为数据上传处理后的反馈行为；由线下设备数据管理模块进行设备建档，管理设备缺陷信息、检修试验数据、故障诊断数据，并对运行状态数据进行记录；数据获取后实时上传至云计算基础平台，内置海量数据管理系统、分布式数据存储系统、各数据服务集群等；在云计算基础平台之上，再进行皮带输送机状态数据处理，基于算法调度，进行任务管理及调度控制，最终进行皮带输送机状态诊断、预测估计、状态评估、风险评估、检修策略制定及检修维护等各项工作。

图1 监测监控及故障诊断专家系统设计示意图

2.3 工况监测及故障诊断流程

带式输送机通过各大保护系统及故障诊断专家系统，实施皮带跑偏、打滑、撕裂、堆煤、超温等各项保护。其中，跑偏监测及保护是在输送机上安装跑偏传感器，当传感器识别的角度达到跑偏预设值时，立即停车保护；防滑保护是通过监测滚筒转速与皮带运行速度，其速度差作为判别标准，当滑差率超过8%时就触发报警机制，打滑超过20 s 时就紧急停车，滑差率超过12%时5 s 即紧急停车；堆煤保护传感器设置在落煤点上方，堆煤增多时传感器发生倾斜，触发紧急停车操作；皮带撕裂是通过皮带内置的纵撕线圈传感器，并在两侧安装发射器和接收器装置，收发信号并进行耦合处置，作出报警和急停动作；对其余各项工况监测及故障诊断均设计了完备的工作流程。

3 工业性试验及效果分析

根据监测监控及故障诊断专家系统架构及功能设计，研发出KJ161 型矿井带式输送机监控系统，系统由监控主机、各类控制开关、各类保护传感器、信号中转站、通用I/O 接口、传输信号线等组成。线路上，每隔100 m 设置一个急停闭锁装置，每100 m 安装一处警报及通信装置，各分站与监控主机之间通过CAN 总线进行连接，实现数据信息的实时传输。同时，监控主机设置有计算机并安装了人机交互软件，能够显示系统的工作信息并进行人机交互，工作截面如图2 所示。

图2 KJ161 型监控系统人机交互界面

利用停产检修时间，在矿井掘进工作面单部带式输送机上进行了KJ161 型监控系统的改造安装及应用。系统基于各类精准传感器、高效的数据传输及处理，有效预防了胶带打滑、跑偏、撕裂、超温等机电事故发生，还能够对发生的各类故障进行预警及处置提示，对减速箱油位、轴承磨损情况、润滑情况等进行维护保养提示，提高了设备运行的可靠性，对于延长设备使用寿命、提高生产安全系数效果十分显著。

4 结语

矿井机电设备使用维护管理及监测监控管理工作至关重要，是提高矿井生产效益，保障安全生产的重要一环。在对矿井带式输送机运行现状进行分析的基础上，提出了监测监控及故障诊断专家系统的设计思路及架构设计，并研发出KJ161 型矿井带式输送机监控系统，经过工业性试验验证，该系统能够提高矿井机电设备的自动化控制水平，大大简化带式输送机操作流程，同时，可以显著提高设备运行的可靠性，对带式输送机运行过程中的各类故障进行预警及处置提示，还可以将设备的被动维修转化为日常的定期保养维护，降低设备故障率，延长使用寿命，安全生产及技术经济效益显著。