基于专家系统的提升机故障诊断系统.pdf

中国矿业大学学报990 52 2 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T P 2 7 3 Hoister Fault Diagnosis System Based on Expert System Ma Xiaoping College of Ination and Electrical Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Xiao Xingming College of Mechatronic Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract Based on the expert system, a hoister fault diagnosis system with the fault diagnosis is put forward. An expert data base of hoister for diagnosing the slip fault is developed on the ground of slip fault of hoister. And it has been successfully used in the KJ46 diagnosis system of hoister. Key words expert system, hoister, fault diagnosis 提升机是矿井生产、运输的主要设备之一，它担负着提升煤炭、矸石、下放材料、 升降人员和设备的任务，素有“矿井咽喉”之称. 提升机运行的安全可靠性状况直接影 响到煤矿生产人员的生命安全和矿井生产能力. 历年来，我国对矿井提升机的安全问题 极为重视，煤矿安全规程和煤矿机电设备完好标准对此都作出了明确规定. 为 保证达到这些要求和提升机的安全运行，有关科技人员开展了大量研究工作，开发了不 少提升机保护产品，如由中国矿业大学研制的K J46 矿井提升机状态监护系统、A SCC 全数字提升机控制系统等都包含了对提升机运行参数的监护以及对制动失效、过卷、滑 动、超速等后备保护. 但是，如何从超前防护的角度出发，研究提升机故障的早期预 兆，作出故障预测，目前还是一个难点. 本文结合现代智能测试与诊断技术，研究开发 了一个基于专家系统的提升机故障诊断系统. 1 基于专家系统的提升机故障诊断方法 提升机的故障可分为两大类第一类是“硬故障”，这是指由一些特定的参数越限 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 2 . h t m （第 1／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 30 中国矿业大学学报990 52 2 表现出来的故障，该类故障主要由后备保护装置来解决；第二类是“软故障”，该类故 障需由许多参数和测量值经过计算才能诊断出来，由于牵涉变量多，导致诊断比较棘 手. “软故障”往往是“硬故障”的先兆，因此对“软故障”的及时预报和诊断是大型 复杂系统的特点和难点. 对这类问题的研究主要是利用基于知识的专家系统，并以具有 自学能力的神经元系统为手段. 下面介绍基于知识和规则的故障诊断系统 见图1 . 图1 故障诊断系统图 Fi g . 1 Fa u l t d i a g n o s i s s y s t e m 1. 1 故障诊断分系统 故障诊断分系统是核心，它本身是一个专家系统，在它的内部有故障诊断方法 库、数据库、元知识库、元推理库、黑板、知识的获取和管理系统以及解释系统等部 分. 其中故障诊断方法库存放各类故障现象及其发生的场合信息；数据库存放整个系统 运行时所需要和产生的所有信息；元知识库存放对整个系统的控制、管理和调度知 识；元推理机制完成对系统的控制、管理和调度以及各个系统间的通讯；黑板既是整 个系统的动态数据库，有时又是元系统与各子系统及提升机状态监测和操作员间的信 息枢纽；知识获取与管理系统主要是对方法库和知识库中的内容进行添加、修改和删 除；解释系统对元系统和各个子系统的运行方式及过程加以显示和解释，并接受操作 员的询问意见. 故障诊断元系统体现在本专家系统中为一个模块，用C 编译. 1．2 数值计算系统 数值计算系统主要将来自现场的数据进行处理、分析以及提取故障特征信息，它 主要包括基于模型的分析方法、统计分析方法和谱分析方法等. 关于前两种分析方法一 般只适用于具体数学模型和故障检测及简单情况下的故障诊断，其优劣可参考文献 ［1］和［2 ］. 下面介绍本系统在诊断提升机拖动电流检测方面所用到的谱分析方法. 谱分析方法是通过对检测信号 输入/ 输出 进行谱分析、滤去噪声, 从而提取故障信 息. 主要方法有窗口傅立叶变换和小波变换, 其中窗口傅立叶变换只能在同一频率中平移 而不能伸缩, 对高频信号无法作出仔细的分辨. 小波分析能克服这一缺点, 以积分小波变 换为例，有 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 2 . h t m （第 2 ／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 30 中国矿业大学学报990 52 2 式中a 0 称为尺度；为基小波. 当α变大时，窗口 a , b t 在时域上收缩、频域上伸展，中心频率提高，这有利于 分析信号高频细节. 小波变换就象一架高倍望远镜，可把镜头置于某段时域内，根据实 际需要改变放大倍数，看清所需的细节，从而提取故障特征. 该方法不需要建立数学模 型，灵敏度高，克服噪声能力强［3］. 在本系统中提升机拖动电流的检测框图如图2 所示. 图2 提升机拖动电流检测框图 Fi g . 2 Bl o c k d i a g r a m o f d r a g c u r r e n t d e t e c t i o n f o r b o i s t e r 分析输入与输出的电流波形，可预知提升机多种故障信息，诸如超载、卡罐、钢 丝绳滑动等，当然在我们的专家系统里还必须有提升机正常状态的谱分析数据. 1．3 神经元网络 考虑到整个系统的故障事实集合的样本数目过大，为了保证诊断的可靠性和快速 性，可采用阶神经元网络. 如本系统的神经元网络采用了图3的层结构. 图3中的主神经元 网络完成故障分离，以决定故障发生在哪一个区域，下层的子网再把故障定位在一个 具体的操作单元上. 这种结构对同时发生的故障的诊断比较有效. 对于在样本训练中未出 现的故障，神经元网络的诊断结果可能有错误，这时需要将主神经元网络和各个子网 络的综合诊断结果送元系统进行检验. 图3 神经网络的分层结构 Fi g . 3 La y e r e d s t r u c t u r e o f NN f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 2 . h t m （第 3／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 30 中国矿业大学学报990 52 2 1．4 专家系统 专家系统是基于一系列提升机故障知识和运行规则而建立起来的. 一方面，它对一 些故障信息（如来自K J46 状态监测）的报警信号进行直接诊断；另一方面，它也接受 来自神经元网络新故障特征的训练和提取. 本专家系统常见的结构如图4所示. 图4 专家系统结构 Fi g . 4 Ex p e r t s y s t e m s t r u c t u r e 2 案 例 在摩擦提升机中广泛存在着滑动现象，我国曾发生数起由于钢丝绳与滚筒之间的 滑动而造成的重大事故. 下面介绍本系统滑动诊断模块的建立. 滑动分为紧急制动情况下的滑动及启动加速时的滑动和超载情况下的滑动. 其中尤 以紧急制动下、制动开始时的提升运行速度对滑动量影响最大. 据此，建立知识规则如 下 规则1 如果提升机处于紧急制动，且处于超载，当相对滑速v 0大于A 时，出现滑 动事故. 规则2 如果提升机处于紧急制动, 不超载, 当相对滑速v 0大于B时, 出现滑动事故 A B . 规则3 如果提升机处于紧急制动，且滑动距离α C时，出现滑动事故. 规则4 如果提升机处于启动加速阶段，则应以滑动距离α是否大于D 来判断是否 出现滑动事故. 规则5 如果提升机处于正常提升但超载，则一定的相对滑速是允许的；但当相对 滑速v 0大于E时，则出现滑动事故. 规则6 为避免超载下的滑动，本系统应采集定重装载信息，及时给出报警信息并 及时修正控制滑速E. 系统中的A ，B，C，D ，E，应根据实际提升系统确定，如提升机滚筒材质、钢丝 绳摩擦系数μ以及装载量不同时，有不同的值. 以上6 种情况，基本概括了提升机滑动时的可能情况. 至于如何建立A ，B，C，D ， E各种参数值，可参阅文献［4］. 3 结束语 本文以摩擦提升机的滑动事件为背景, 运用谱分析方法及专家知识建立起提升机故 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 2 . h t m （第 4／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 30 中国矿业大学学报990 52 2 障诊断系统, 该方法同样适用于其他矿山大型固定设备. *江苏省青年科技基金资助项目（苏科计1996 -30 8 号） 第一作者简介 马小平，男，196 1年生，工学硕士 博士研究生 ，副教授 作者单位马小平 中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 肖兴明 中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 Fr a n k P M . Fa u l t d i a g n o s i s i n d y n a m i c s y s t e m u s i n g a n a l y t i c a l a n d k n o w l e d g e -b a s e d r e d u n d a n c y -A s u r v e y a n d s o m e n e w r e s u l t s . A u t o m a t i o n , 1990 , 2 6 3 459～47 4 2 W i s e B M ， G a l l a g h e r N B. T h e p r o c e s s a p p r o a c h t o p r o c e s s m o n i t o r i n g a n d f a u l t d e t e c t i o n . J Pr o c Co u t , 1996 , 6 6 32 9～348 3 叶 关. 小波分析在故障检测中的应用. 北京化学工业出版社， 1995. 50 ～6 0 4 肖兴明. 摩擦提升机重大故障分析与预防. 徐州中国矿业大学出版社，1994. 2 0 ～50 收稿日期1999-0 1-2 4 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 2 . h t m （第 5／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 30