摘 要：针对掘进机机电系统运行故障率高、人工排查效率低、准确性差的问题,提出了一种新的掘进机机电故障自动诊断系统。通过构建自动巡检和故障分析逻辑,实现了对机电系统故障的智能判断、自动定位、声光报警,根据实际应用,该系统能够实现掘进机机电系统的自动故障诊断,诊断准确率达98.3%,故障排除时间缩短了97.1%,对提升掘进机运行安全性和稳定性具有十分重要的意义。
关键词:掘进机;机电故障;自动诊断;
Research on Automatic Diagnosis System of Electromechanical Faults in Roadheading
Machines
Liu Yilang
Chengzhuang Mine Jinneng Holding Group
Abstract：Aiming at the problems of high failure rate of mechanical and electrical system operation of roadheading machine, low efficiency and poor accuracy of manual troubleshooting, a new automatic diagnosis system of mechanical and electrical faults of roadheading machine is proposed, which realizes intelligent judgment, automatic positioning and sound and light alarm of mechanical and electrical system faults by constructing automatic inspection and fault analysis logic. According to the practical application, the system can achieve automatic fault diagnosis of the mechanical and electrical system of roadheader with an accuracy rate of 98.3% and shorten the troubleshooting time by 97.1%, which is of great significance to improve the operational safety and stability of roadheader.
Keyword：roadheader; electromechanical faults; automatic diagnosis;
引言
掘进机是煤矿井下巷道掘进作业的核心，其掘进作业时的稳定性和可靠性直接决定了煤矿井下巷道掘进的效率和经济性。由于煤矿井下巷道综采环境恶劣而且掘进机整体结构相对复杂，在长期高尘、高振动冲击作用下，掘进机的机电系统极易受到损坏。目前对于掘进机机电系统的故障主要采取人工排查修复的方案，不仅非常依赖维护人员的专业素质而且井下恶劣的环境也加大了故障排除的难度，严重影响了煤矿井下巷道掘进作业的正常进行。
结合自动故障诊断技术的不断发展，以及掘进机机电系统的实际情况，提出了一种新的掘进机机电故障自动诊断系统。其通过搭建掘进机运行状态自动巡检和故障分析逻辑，实现了对机电系统运行状态的自动监测，一旦机电系统出现异常该自动诊断系统能够进行故障定位和故障原因分析，为快速解决故障提供技术支持。根据在掘进机上的实际应用表明，新的故障自动诊断系统的故障诊断准确率达到了98.3%，同时通过故障自动定位和分析，能够将故障排除时间缩短97.1%，为提升掘进机运行稳定性和掘进效率奠定了基础。
1 掘进机机电控制系统
以EBZ315掘进机为研究对象，其机电系统共包含了4组控制电机，第一组用于控制液压泵驱动电机，实现对掘进机摇臂升降的控制；第二组用于控制除尘驱动电压，实现对除尘装置的控制；第三组用于控制截割驱动电机，实现对截割机构的自动控制；第四组用于控制转载电机，将截割的煤炭转运出去。同时系统还需要控制液压系统中各类电磁阀的开合，保证截割作业的稳定性和安全性。
整个机电系统在作业过程中，需要有过载保护、缺相保护等功能，满足掘进机在不同截割作业状态下的自动控制需求，是确保掘进机正常掘进作业的核心，因此对掘进机机电系统的自动故障判断就需要实现对掘进机机电控制系统中所有控制流程信号的全面监测和判断，从而实现对运行异常信号的快速捕捉和确认，该掘进机机电控制系统总体结构如图1所示[1]。
2 故障分类方案
掘进机故障分析是该控制系统的核心，直接决定了该系统的工作可靠性和稳定性，通过对掘进机常见故障的汇总分析，其主要故障类型包括了掘进机驱动电机故障、传感器故障和系统通信故障。
驱动电机故障主要包括电机过热故障、过流故障、缺相故障等，首先对掘进机正常工作时各电机的运行状态进行监控，获取其正常工况下电机的工作温度、运行电流、电压等数值，根据对不同运行状态的综合测定，获取各监测项目的正常数值范围。当掘进机运行时通过电流、电压传感器对各电机的电流和电压值进行监测，通过红外温度传感器对电机的运行温度进行监测。传感器将监测结果实时传递到PLC控制中心，通过对监测值和标准值的对比，可以准确判断出电机是否出现过热、过流、过载、缺相、粘连等异常。然后将监测结果传输给监控终端，通过过热提示灯、过流提示灯、过载提示灯、缺相提示灯、粘连提示灯以及声控系统进行声光报警。
传感器常见的故障类型主要是监测信号传输不良、传感器信号异常等，因此在对传感器故障进行监测时主要通过发送脉冲信号[2]的方法来监测传感器电路的通断情况，同时系统对传感器的信号进行监测分析，若监测信号偏离系统设定的正常范围，则系统同样会发出故障报警，提醒维修人员进行排查确认。
由于煤矿井下地质条件恶劣，因此对故障诊断系统数据通信的要求很高，要求能够在短时间内完成大量数据的传输，同时还需要确保数据通信的安全和准确。根据对通信故障类型的分析，目前常见的故障主要包括通信线故障、数据连接点错误、电源不足等。因此在系统内设置了CAN通信状态分析仪[3]，对整个通信过程中的通信状态进行监测，定时发出模拟信号，若分析仪能够接收到数据信号，则说明通信正常，若无法接收信号或者接收到的信号错误，则说明通信系统不正常，需要进行排查处理。
3 故障诊断分析平台
确定故障类型和故障排查方案后，系统的核心是故障分析平台，各类故障信号均汇总在PLC控制系统中，然后将数据信息传递到故障诊断分析平台，对各类机电监测信息进行对比，确认最终故障类别并将分析结果显示在监测终端上，便于技术人员的及时跟进处理。
EBZ315掘进机在井下巷道掘进作业中，巷道的断面宽度为4.6 m，平均斜度为6.4°，巷道掘进的断面积为16.4 m2，井下煤层直接顶为泥岩和砂岩的混合层，基本顶为砂岩，直接底为泥岩，应用故障分析诊断系统对其工作中的应用情况进行分析，当出现故障时系统自动进行指示灯报警，便于实现故障的快速定位和分析，该故障诊断分析平台终端如图2所示[4]。
由图2可知，该系统中，每种类型的故障均有对应的显示灯，出现故障时对应的显示灯亮起，便于检修人员进行故障的快速定位和排除，根据实际应用表明该系统的故障诊断准确率高达98.3%。同时，通过自动定位和故障分析，能够为检修人员提供第一手的故障资料，将故障排除时间缩短了97.1%，显著地提升了煤矿井下掘进机运行的稳定性和可靠性。
4 结论
1）掘进机的主要故障类型包括掘进机驱动电机故障、传感器故障和系统通信故障。
2）通过温度、电流和电压监测，能够及时识别掘进机驱动电机故障。通过脉冲信号监测能够及时识别传感器故障。通过CAN通信状态分析仪能够实现对通信系统运行状态的实时监测。
3）该系统能够实现掘进机机电系统的自动故障诊断，诊断准确率达98.3%，将故障排除时间缩短了97.1%，对提升掘进机运行安全性和稳定性具有十分重要的意义。
参考文献
[1] 王大虎,王敬冲,陈文博,等.掘进机液压系统故障监测方法研究与仿真[J].计算机仿真,2016,33(2):448-451.
[2] 杨健健,唐至威,王子瑞,等.基于PSO-BP神经网络的掘进机截割部故障诊断[J].煤炭科学技术,2017,45(10):129-134.
[3] 崔成梅.煤矿掘进机电控箱接触器的常见故障与处理方法[J].煤炭技术,2014,33(2):54-56.
[4] 刘强,尹同舟,唐秀山,等.掘进机截割系统的故障树-层次分析法诊断分析[J].煤炭科学技术,2017,45(3):123-127.