防爆液压绞车状态监测与故障诊断系统设计 -.pdf

2 0 1 1 年 第 1 期 煤炭工程 防爆液压 绞车状态监测 与 故 障诊 断系统 设计 冀捍文 汾西矿业集团 新柳煤矿，山西 介休0 3 2 0 0 0 摘要 针对防爆液压绞车存在 的手动操作无参照，随意性大 ，系统可靠性差，液压故障难 以诊 断等一 系列 问题 ，建立 了液压绞车液压状态监 测与故 障诊 断 系统。以嵌入式计算机 S C M一 7 0 2 0和扩展模块 A D T 6 0 0为基本单元 ，构建 了状 态监测的硬件 系统；采用 c语言和汇编语 言设 计 了监测软件 系统，实现绞车运行状态的全 面监测 ；在分析液压 系统的故障机理的基础上，对状 态监测数据进行特征提取和模式识别，建立了故障诊 断专家系统。实践表明 状态监测系统简明 实用，监测参数全面，为了绞车安全运行提供 了保障；故障诊 断系统为液压故障的快速诊 断与排 除提供科 学依据 关键词 防爆液压绞车；状态监 测；故障诊 断；专家 系统；可靠性 中图分类 号 T H 1 3 7 文献 标识 码 B 文章 编 号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 1 - 0 0 0 9 - 0 3 目前的防爆 液压 绞 车普遍 采用 手动 调速 ，因缺少 液压 状 态监 测及动态速度 一位 置 图 ，这种 手动 调速方 式完 全依 赖于司机的 自身经验 ，操 作 随意性 大 ，导致 绞 车运行 不 平 稳 ，超 速现象时有 发生 ，严 重影 响 了煤矿 的安 全 生产 。同 时煤矿 井下恶劣 的工作环 境 和液压 绞车 复杂 的工 况 ，造成 其 液压 系统故障频 繁 ，又 因现场 对液 压故 障 的规 律缺 乏科 学认识 ，难 以预防各种 随机 因素 引起 的故 障和把 握故 障状 态 ，造成液压系统故障诊断不准、故障排除时间长 ，严重 影 响井 下提 升作 业 效率 。为提 高液 压 绞 车 的运行 可 靠 性 ， 实现故障的及时预测和降低故障排除时间，本文在分析系 统功能需求 的基 础上 ，研 究 了防爆 液压 绞车 的状 态监 测与 故 障诊 断系统。 建 立提供信息 。 5 当系统运行出现故障、参数超出正常区间时，提供 声光报警 。 6 记录运行 管理 信息 ，如 操作人 员 、运行 操作 时 间、 班提升钩数等信息。 故障诊断系统 的功能应 主要包括 以下内容 1 根据监测系统每天记录 的液压系统状 态信息 ，形成 液 压绞车运行历史状态库 。 2 利用历史状态库，分析提升绞车液压系统的工作状 况 ，为液压系统的检修维护提供决策信息。 3 通过记录和分析液压系统的工作状况和常见故障， 以诊 断故障的类 型和可能 的故 障位置 。 1 系统功 能需 求 2 状 态监 测与 故障 系统 总体 结构 设计 影 响液 压绞 车安 全运行 的 因素很 多 ，其 中以液 压 系统 的工作状态 最为关 键 ，同时其故 障也 最难 判 断 ，因此 监测 系统 的主要任务 是监 测绞 车液压 系统 的状 态 ，并结 合 故障 智能诊断技术 ，诊断液压系统的故障。 状态监测 系统的功能应主要涵盖 以下 内容 1 实 时监测 液压 系统的主要状态参数 ，如绞车滚 筒的 转速 、加减速度 ，主要 液压 回路 的压 力 ，闸瓦位 移 、油 温 等 。 2 监测控制信号 ，包括减速点信号、制动信号、开车 信号 、提升信号和下放信号等 。 3 监测参数 的数 据处理和在线显示 。 4 状态数据 的记 录和存储 ，为液压绞车 运行状态 库 的 根 据系统 功能需 求 ，并 结合 绞车 的运行 工况 、监 测技 术、故障诊断技术和通信技术等，液压绞车的监测与故障 诊断系统采用 图 1 所示 的结构 方案 。系 统由本地监测 系统、 数据通讯 和远程诊 断系统三部分组成 。 监测计算机用于工况数据采集、处理、分析、显示和 传输 ，出现故障时报警并记录故障数据；增量式轴编码器 用于将提升绞车速度和位置转换为脉冲电信号，完成速度 和位置 的测 量。传感 器与 变送器 完成 压力 、温 度等物 理量 信号的传感与变送；输入模拟量接 口则完成与监测计算机 的连接 ；输入开关量及接 口完成位置校正开关、设备启停 等开关状 态信 号 的变 换 与变 送 ，及 与监 测计 算 机 的连 接 ； 输出开关量及接 口完成报警器、后备减速等开关输出信号 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 2 作者简介冀捍文 1 9 6 6一 ，男，工程师，现在山西汾西矿业集团柳湾矿安监处从事煤矿安全管理及技术工作。 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 1 期 轴 编 码 器 接 口H增 量 式 轴 编 码 器卜 _ 液 压 诊 l l々 提 断 数 据 』 吐 输 入 模 拟 量 接 口H传 感 器 与 变 送 器卜 _ 升 汁 通信 测 绞 汁 车 算 算 及 机 机 ． 一 输 入 开 关 量 接 口H 输 入 开 关 量 控 制 系 - q 输 出 开 关 量 接 口 H 输 出 开 关 量 统 电源 系统 图 1 液压绞车状态监测与故 障诊 断系统结构 的变换与变送 ，及与监 测计 算机 的连 接 ；电源系统 为本 地 监测系统提供所需 的各种交直流稳压 电源 。 诊断计算机 、专 用诊 断软件 和数 据通 信等 构成 远程 诊 断系统 ，实现对 液压绞 车 的远程 故 障诊 断 ，其 中基于专 家 系统和实例推理 的故 障智 能诊 断系统 是核 心 ，可 实现 绞车 正常状态和故 障状态记 录与分析。 3硬件 系统 设计 为 了实现对液 压绞 车运行 状 态参数 的全 面监 测 ，并 利 于工人操作，监测系统硬件设计主要包括监测计算机及人 机接 口设计 、输入模拟量接 口、输 入／ 输 出开关量 接 口设 计 及 电源系统设计 。其 中最 重要 的是监 测计 算机 及人 机接 口 设 计、输入模拟量接 口设计 。 3 ． 1 监测 计 算机 及人 机 接 口设 计 考虑煤 矿井下条件及多路模拟 量和开关量 监测 的需要 ， 一 般 P L C难 以满足 要求 ，而工控机 也存 在系 统复 杂、散 热 困难等 问题 ，监 测计 算 机选择 嵌入 式微 型计 算机 P C 1 0 4系 列的 S C M一 7 0 2 0 ，并配备了2块扩展模块 A D T 6 0 0，构成一 个高性能的数据采集与控制系统 J 。 人机接 口包 括键 盘 、状态选择 和显示器 ，如图 2所 示。 键盘由 “ E S C ” 、“T ” 、“ 十 矗一 ”和 “ O K ”共 4个按键 组成 ；状态选择 包括 检修 与运行 、提物 与提 人 4个 输入 开 关量 。 0 N [ - - N 卜 0 卅 卜 A D T 6 0 0 0 e t ／ L ／ B U S 1 一圣 ＼ r 羔 0 0 金 ∽ 图 2人机接 口结构 3 ． 2模拟 量输 入接 口设 计 如图 3所示 ，共 有 3 2路输入模 拟量输 入 ，每 8路为 一 组 ，每一 路 的 结 构 如 图 4所 示 。 电 气 隔 离 采 用 I S O A 4 P I 2 Q 7型直流电流信 号 隔离放 大、转换 器 ，它将 输 入 的 直 流电流信 号按 比例转换成直流 电压信号 。 1 0 BUS 、 n 卜 BUS Ai nl 一 8 Ai n9 一 l 6 Ai nl _ 8 Ai n9 ． 1 6 8 路输入 模拟量转换 8 路输 入 模拟 量转换 8 路输入 模拟 量转换 8 路输入 模拟 量转换 图 3 模拟量输入接 口结构 0 1 0VD E 圃 _ _ J ～L _ J l l { I 电 源 选 择 变 送 器 4监 测软件 设 计 传 感 器 变 送 器 监测软件 系统基 于 P C 1 0 4，在 P C 1 0 4 B I S O和 D O S 6 ． 2 2 下运行 ，利用 C语 言和汇 编语 言开发 ，可实现 数据采 集与 处理 、故 障判别 与报 警 、状 态与参 数显 示、系统 设置 和人 机接 口等功能 。 监测软件系统 主要 包括 系统调 度程 序 ，窗 口管理 与界 面显示，参数设置，数据采集与处理，故障判别，数据文 件管理等几部分 。 软件系统功 能主要 包括 ① 行程 、速 度 和加 速度计 算 与曲线显示；②闸瓦位移测量与磨损补偿校正；③减速提 示 ；④压力、温度显示 ；⑤报警提示 ，对超速、过卷进行 画面和声音报警提示 ；⑥操作状态显示，运行时直接显示 “ 提人” 、“ 提物” ；⑦参数设置，分别设置提人、提物时上 下停车点位置、上下校正点位置、上下减速点位置等，设 置最大限制速度 ；⑧保存数据，保存一个月内每天最后一 钩的运行数据，包括位置、速度、加速度，压力，报警信 息 ，运行状 态等 所有显示 数 据 ，采样 间 隔为 0 ． 1 s ，保 存操 作错误信息 2 0 0 K字节 ；⑨运行状态数据和故障；⑩操作 错误记录查询，查询近期操作错误信息。 本文研制 的防爆液 压绞 车液压状 态监 测 系统在某 矿斜 井 的 J T Y 1 ． 6 ／ 1 ． 5 B型液压绞 车上 进行 了工业 性试 验。系统 主界面如 图 5所示 。 根据参考速 度一 位移 曲线 的变化 ，司机 进行 手动 操作 液压绞车 ，监测 得到 的实 际速度一位 移 曲线与参 考 曲线基 本相符 ，避免 了超速 现象 ，加 速度 变化 也较平 稳 ，同时系 统可监测到绞车的各主要参数，保障了绞车的安全运行， 提高 了生产效率 。 5液压故 障诊 断 系统 设计 液压系统的故障诊 断 和排 除需要应 用 大量独 特的专 家 实践 经验和诊断策 略 ，因故 障 的外在表 现往 往与 多种潜 在 一 【 I J 0 0 _ I _0 一一一 N 一 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1期 煤炭 工程 图 5 状态监测 系统 主界面 故障有关 ，且症状 与原 因之 间也存 在各 种 各样 的重叠 和 交 叉 ，给故 障诊 断带来 不便 。在 分 析 了绞车 液压 系统及 液 压 元件故障模式及 故障 机理 的基 础 上，建立 l『液 压绞 车 的液 压故障诊断专家 系统 。 故障诊断专家 系统 的基 本结 构如 图 6所示 ，其设 计 思 想是将 液压故障 知识 和控 制推 理策 略分丌 ，形成 一个 故 障 诊断知识库，同时将监测系统采集到的运行数据保存到数 据库 ，形成历史运行状态库 ，系统在控制推理策略的导引 下 ，利用 已存储 的故 障知识 分析和处理 问题 。 图 6液压 故障诊断专家 系统 的基本 结构 推理 机是以知识库 中的 已有 知识 推 出新 的事实 的计 算 机 ，是专家 系统 的 核心 ，其 主要任 务 就是 在 问题求 解过 程 中适时地决定知识的选择和运用。具体的推理流程如图 7 所示，首先分析所采集 的状态数据，以提取故障特征值， 然后根据故 障特征值初 步判 定液 压 系统 中哪些 回路 现 异 常 ，明确故 障诊 断 范围 ，其次 按一 定 的故 障诊 断策 略确定 故障诊断顺序 ，最后 系 统根 据具体 的故障 范围 调用 故障诊 断模块进行故 障诊 断。 在 Wi n d o w s X P平 台下 ，运用 V i s u a l B a s i c 6 ． 0，结合数 据库技术 ，开发了液压绞车故障诊断专家系统 ，该系统主 要 由人机 接 口模 块 、知 识 库管 理 模块 、案 例 库 管理 模 块 、 数 据分析模块 、故 障诊 断模 块 、用 户管 理模 块和 系统 帮助 模块等七部分组 成 。通 过分 析状 态监 测信 号并 提取 特征 数 据 ，技术人员可 以有 效把 握 系统运 行状 态和 趋势 ；通过 人 机交互 进行 故障诊 断 ，为现场 排 除液压 故 障提供 有 力依据 和参 照 图 7 诊 断推理流程图 6结论 本项 目在国内率先 完整 地开 发 了液压 绞车 的状态 监测 系统和故 障诊 断 专家 系统 。状 态监测 系统 功 能完备 ，绞车 速度一位置 图直 观 明 了，利 于工 人 操作 、监 测数 据 准 确 ， 报警及时，有力地保障了液压绞车的可靠运行 ；故障诊断 专家系统为 液压绞 车 的管理 、预测性 维护 维修 、快 速 故障 诊断提供 了一套 高效平台 。 参考文献 彭佑多 ，刘德 顺． 论液 压 提升 机 的 竞争 优势 与 发展 趋 势 [ J ] ．中 国矿业 ，2 0 0 2，1 1 1 7 0～ 7 3 ， 杨水腾 ，宋若峰 ，徐瑞银． 防爆 液压 绞车在煤 矿井下 的应 用 [ J ] ．矿山机械 ，2 0 0 5， 6 5 0～ 5 1 ． 彭佑多 ，叶笑洋 ，张永忠 ，等．液压提 升机发 展中须解决 的若干技术 问题[ J ] ．煤 炭科学技 术 ，2 0 0 1 ，2 9 7 4 5 ～ 4 8． 郭垄 ，陈欠根 ，李渊博 ，等 ．基 于嵌入 式系统 的工程机 械 液压系 统 在 线 状 态 监 测 与 故 障 诊 断[ J ] ．起 重 机 械 ， 2 0 0 6 ， 1 0 0 6～】 0 ． 房纪涛 ．基于 P C 1 0 4总 线 的数 据采 集仪 与数 据 分析 系统 [ J ] ．测控技术 ，2 0 0 6 ，2 5 8 2 6～ 2 7 ． 何 泳 ，段志善 ．基于计算机控制 的状态监 测与故 障诊断系 统[ J ] ．现代 电子技术 ，2 0 0 3， 4 5 3～5 5 ． 蔡倩 ，湛 从 昌． 液 压 系统 计算 机 辅 助 监 测 与 故 障 诊 断 [ J ] ．武汉冶金科技大学学报 ，1 9 9 7 ，2 0 3 3 4 8～ 3 5 4 ． 吴烨 ，黄志雄 ，何清华．液压 挖掘机 的状态监 测与故 障诊 断系统设 计 [ J J ．机床 与液压 ，2 0 0 5， 1 4 9 4 4 9 6 ． 郝用 兴 ；矿 井提 升机 盘 闸制 动 系统工 作状 态 监控 与安 全 [ J J ．中国安全科 学学报 ，2 0 0 6 ，1 6 5 1 2 6～1 2 9 ． 彭佑 多 ，张永忠 ，刘德 顺 ，等 ．矿 井提升 机的安 全可靠性 分析 与设计 [ J ] ． 中圈安全 科学学 报 ，2 0 0 2 ，1 2 62 9 ～ 3 2 ． 责任编辑赵巧 芝 j ] l m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m