机电设备故障监测与智能分析系统研究

温艳艳

（国家能源集团神华神东煤炭集团设备管理中心，陕西榆林 719315）

0 引言

随着我国工业技术和信息技术的不断发展，各类新型技术的出现和智能化设备的应用使得工业生产的自动化水平不断提升。机电设备对工业生产的稳定运行起着越来越重要的作用，煤炭行业作为机电设备密集型企业，在煤炭开采过程中一旦出现机电设备故障，少则造成设备故障，多则导致生产系统瘫痪，重则会引发安全事故，对矿工的生命安全造成威胁。因此，加强煤矿机电设备故障监测具有重要的安全生产意义。在煤矿开采中，设备故障监测诊断技术主要通过信号处理技术、传感器等装置，利用设备故障信号对设备故障部位进行准确判定，缩短故障发现时间，把时间留给故障处理，有效降低设备故障率，提高煤矿安全生产水平。

1 机电设备故障监测原理

机电设备故障监测技术是以可靠度理论、信息论等学科为基础，通过运用一些机电设备故障监测仪器，对设备、系统、机械等对象进行故障诊断或判定，主要是对机电设备故障出现的部位以及故障发生的范围进行分析与判定，通过分析故障发生时的异常现象，最终确定机电设备故障的诊断方案。总体而言，机电设备故障监测过程就是基于系统内的机械以及电气设备在运行过程中发出的各种信息，对设备运行状况进行判别，若判定出机电设备在运行中出现的故障类型，则有针对性地采取解决措施，消除故障，确保机电设备稳定运行。

2 机电设备故障监测与智能分析系统技术

2.1 系统整体结构设计

根据对矿山机电设备故障监测业务流程需求的调查分析，设计一种煤矿机电设备故障在线监测系统，具体设计思路如下。

2.1.1 设备数据采集与传输

设备参数信息既有动态数据，又有静态数据，动态数据主要以综合自动化数据上传系统、综采面动态监测系统及其他监测系统为主，静态数据包括设备信息、技术参数等，依托于PM、CMES系统接口进行采集以及离线数据。井下采煤机、三机、组合开关、液压支架等设备的数据发送到数据采集器、再由数据采集器推送到井下交换机。井下交换机负责将数据传送到OPC，最后由OPC通过传输给通信工控机，通信工控机将设备各组合开关的运行状态、实时数据等传至各单位综合自动化矿调度室监测监控，将这些动态和静态数据传输至机电设备故障监测与智能分析系统内进行有效数据分析，实现井下和地面数据的共享。

2.1.2 机电设备故障智能分析系统关键技术

（1）机电设备运行状态监测和故障预警报警。机电设备在线监测最重要的就是数据实时性，各矿在第一时间了解设备运行的实时情况，实现实时对数据的处理分析。随着设备运行负荷的轻重，设备电流、温度、振动数值的持续升高或降低都会影响设备的正常运行，从而引发各种故障。通过机电设备故障预警判断最重要的是预警的准确性，准确预警能减少事故发生，减少设备停机时间，预警的准确性依赖于专家知识库和计算的准确性。

（2）设备维修辅助支持。设备维修分为定期性检修与故障事后维修。根据机电设备故障预警判断，提前安排有效的设备维修，从而减少故障发生，合理安排生产调度。通过对故障数据的实时监测，第一时间赶赴故障现场，缩短维修时间，提高维修效率。

（3）设备及部件选型支持。在满足生产及性能指标前提下，设备在使用过程中故障率低、维修次数少，零部件更换频次低，设备的生产效率就高。根据机电设备故障中备件的更换频次，在设备及备件管理中，以设备/备件的经济性为前提，合理选用设备/备件，并有计划采购，减少备件库存，将备件管理的各项指标量化，有效指导设备及备件管理工作的开展。

2.1.3 知识库建立

知识库是数据分析工程师通过知识和经验的积累，针对机电设备形成的故障和预警模型。将设备的基本信息，按照设备、大型部件型号对运行数据、维修数据等数据进行整合，形成数据库，进行有机组织和整理。

2.2 机电设备故障监测及智能分析系统功能

2.2.1 设备运行状态监测及预警

机电设备在线监测及预警功能主要依托智能分析系统进行实时数据监测。根据设备运行状态、设备电机电流对于设备的不合理使用情况进行报警提示。它能对设备技术状态的这些参数作出是否正常的判断。当参数存在异常或超过限值时，即报警或自动停机。

（1）设备运行状态监测。通过对自动化数据设备启停状态、电流、传感器信息及油脂化验系统数据情况。可以直观、实时了解设备工作状态，辨识状态特征参数的变化。

（2）设备健康状况预警报警。通过对设备在线监测信息、报警、预警等信息进行监测、记录和统计，对超出标准值的数据进行报警提示。通过与自动化数据通信，对设备电机负载功率进行监测，并与额定功率进行比较，统计设备空转、过载、超限运行状态的时长和次数，并设定不同等级进行报警提示，可分多级报警，以便提早进行生产组织优化。

2.2.2 设备维修辅助支持

利用设备故障统计和维修信息的有机结合，为检修人员提供参考方案，指导现场维修作业。通过对故障和维修数据的积累，从而对维修过程管理提供依据，使设备的维修工作有针对性和计划性，减少盲目维修，提高维修的经济性。

（1）基于设备监测数据对设备预防性维修。利用系统对设备各部位连续的监测数据进行整理、处理，分析出设备的劣化趋势，对设备或零部件的劣化趋势进行判断，将结果第一时间推送至相关人员，力争在故障发生之前有计划地进行适当和必要的维修处理。为设备的状态维修提供理论根据，使设备维修工作由被动变主动。

（2）基于故障统计对设备检修、维修的数据支持。利用系统的故障停机记录，以及历史调度停机记录，对于同比故障频次和时长较多的设备部件进行关注，统计频次及时长发生较多的故障原因，快速锁定一段周期内故障发生较多的设备及其主要原因。

（3）基于过煤量统计对大修、项修预警。利用自生产管理系统的数据工作面名称、日产量及PM 系统设备台账、大型部件维修记录数据。根据过煤量计算设备使用寿命，并通过平均过煤量计算预测大修剩余时间。

（4）检查、维修工单管理。通过PM 系统工单的工序、工具等信息及cMES 系统的故障停机记录对工单问题处理状态、处理过程及措施、工单所针对的问题及原因、处理位置等进行统计，有效管理检查到维修的过程，发现导致影响处理效率的环节。

2.2.3 设备及部件选型支持

设备可靠性、维修性的优劣，最终体现在设备的故障停机和维护修理费用上。通过系统内故障记录、历史故障记录以及维修费用等参数对设备进行可靠性分析MTBF、维修性MTTR、MTTF故障率及事故率等，建立设备及部件选型参考标准。利用设备基础信息及历史故障、维修数据，通过各因素对进口设备、进口与国产设备、不同厂家同种或不同设备、同厂家不同设备、同型号不同规格、自制与外购设备等之间进行细分比较，评定合理合适的设备及部件，并从不同维度国产和进口件对比统计、设备国产化参考数据统计等。

2.3 故障诊断专家库的建立

专家库为支持系统的主要数据平台，其在系统中担当主要角色，用于存放整体数据，以及数据关联、调用机制。专家库接收来自系统软件平台计算模块的数据、外部系统数据、离线数据，对各种数据进行关联，使其体系化，并根据业务目标有机地对数据进行组织和安排，最终可被按照不同的设备特征参数进行检索、查询，满足为专家诊断分析提供数据支持。专家库还存放数据评判标准、基准参数等规则数据，并且这些规则会通过知识积累和利用不断更新。

3 机电设备故障监测及智能分析系统应用情况

3.1 综采工作面监测系统

3.1.1 综采工作面在线监测及预警报警

机电设备故障监测及智能分析系统内设定预警报警值，当监测到采煤机实时运行电压、电流超过额定电压、电流时系统预警，当电压、电流超过额定值的120%时，系统声光报警提醒，采煤机停机时间超过1 h，进行声光报警、推送至调度员。如，神东大柳塔矿活鸡兔井7 月20 日23：20 停机报警，经核实大柳塔矿活鸡兔井20 日采煤机22：30 停机，判断为采煤机牵引左变频器故障，导致停机。调度员接到报警后核实情况，通知运行管理员进行现场跟踪处理，更换变频器后采煤机运行正常，2：15 处理完毕，工作面恢复生产，用时3 h+45 min。

3.1.2 采煤机有效开机率分析

通过系统自动统计采煤机的割煤时间、日常检修时间、停限产停机时间（为仓满影响和配采面不安排生产的时间）计算得出煤机有效开机率，通过有效开机率结果的高低，分析原因。有效开机率=有效开机时间/（24-实际检修时间-停限产停机时间）。经分析，综采工作面有效开机率高的原因是这些矿井设备故障少且故障处理时间较短。矿方在设备日常养护和均衡生产方面做的较好。有效开机率低的原因是工作面发生故障，导致开机时间较短。通过有效开机率的计算，建议得分较低单位加强设备日常养护，做到标准化作业，均衡生产，提升作业人员业务素质和技能，减少设备非正常停机时间。

3.2 对通风机的故障分析

主通风机监测系统，可实时监测主通风机的负压、风量和电机的电流、功率、定子绕组温度、轴承温度、振动幅度等关键运行数据，并实现电机温度、电流的曲线趋势监测以及主扇停机报警和各类电机高温报警。调度员通过监测电机温度变化趋势和超限电流持续时长的分析，提前发现设备存在的隐患，指导矿井合理安排主扇的检修与运行，在设备安全运行、检修维护等方面起到非常重要的作用。如，根据主扇预警及报警数据的自动监测，2月25 日发生2 次非计划停机。

3.3 设备健康状况报警

3.3.1 设备空转、低效、超限超时报警

通过与自动化数据通信，对设备电机负载功率进行监测，并与额定功率进行比较，统计设备空转、低效、过载、超限运行状态的时长和次数，并设定不同等级进行报警提示，以便提早进行生产组织优化；对空转、低效、过载超时进行报警，需要建立超时判定的基准值，在空转、低效、超限时长大于各自基准值时，进行报警提示。如，神东榆家梁矿52209 综采工作面刮板机21：25 发生故障。刮板机头低左牵引温度从18：27 开始持续偏高，且此刮板运输机过煤量已达到600 万吨（合同服务寿命过煤量600 万吨），经核查此型号链条在哈拉沟煤矿22410 工作面过煤量到达510 万吨，保德煤矿81307 面过煤量达到550 万吨时，均出现过频繁断链断刮板现象，链条已达到使用寿命。如果利用机电故障监测与智能分析系统，在过煤量达到500 万吨时进行报警提示更换链条，将避免此次故障发生。或者温度超限超时报警之后立即更换链条，也将避免此次故障的发生。

3.3.2 设备报警频率提示

根据历史数据，确立参考基准；按照以往经验，对故障发生前可能产生的保护动作、高温、振动报警的发生进行监测、记录，并计算频率。建立报警的基准值，当频率达到基准值，进行预警，提示需要关注润滑保养、实施检查等，预防可能发生的机械故障。

3.3.3 设备运行情况报警

系统对多台交替运行泵机的电机运行情况进行监测记录，并自动统计多台泵站运行时间，依靠经验，根据多台电机运行时间最大值与最小值差进行报警，计算多台设备运行时间的方差值，形成参数，评判泵站均衡使用情况（方差值越小、运行时间的浮动越小，电机使用情况越平均）。对于不合理使用情况进行提示，避免有的泵机过欠使用、有的泵机过度使用并最终导致提早进入项修更换。

4 系统建立的意义

矿产生产中机电设备使用数量以及类型的增加，使得传统的煤矿工程管理模式发生改变。在实际应用中，增加设备检修人员数量的同时应注意监测维修效率的提升，尤其是在机电设备的运营保养方式方面，要树立重检慎修、多检少修的维修理念，机电设备故障监测与智能分析系统，将实现设备、生产、安全等多种子系统的综合实时监测，并统一存储实时数据。在此基础上，进一步挖掘数据的价值，实现设备的故障预报预警、设备管理和维护的优化。因此，机电设备故障监测与智能诊断系统的应用不仅仅是为了完成设备的状态分析和故障诊断，更重要的是其代表着未来机电设备运营维修的发展方向。为机电设备的可靠运行、健康服役及科学维护提供全方位安全保障。

5 结语

煤矿机电设备故障问题具有一定的突发性与随机性，造成机电设备出现故障的原因众多，因此，在实际应用中煤矿企业应结合自身发展特点，不断加大对机电设备的故障监测诊断技术与智能诊断系统的研究力度。同时，积极做好机电管理人员以及维修人员专业知识的培训工作，以此确保煤矿机电系统的安全高效运转。