基于互联网的提升设备工况监测与智能诊断系统
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摘 要：针对目前煤矿提升设备采集速率低、采集参数少，反馈不精确等问题，本文设计了一种基于互联网的提升设备工况监测与智能诊断系统。该系统允许技术人员通过互联网远程获取设备的工况及故障诊断信息，可以极大地减少时间、金钱和技术人员精力的支出。同时，系统根据故障树分析法，建立合理的报警信息数据库，利用PLC和上位机的共同配合处理故障信息，从而提高工作效率，减少生产损失，为煤矿带来可观的经济效益。
关键词：工况监测;智能诊断;云平台;故障诊断
当今，随着科学技术的进步，互联网技术已渗透于生产与生活的方方面面，人们逐渐习惯于通过互联网去获取数据和信息。而“物联网”是新一代互联网技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的一个重要发展阶段[1]。与此同时，矿产资源身为工业及人类生活的物质基础，一直为人所重视。由于矿产资源的挖掘采集多为地下作业，井上与井下之间的运输难免会发生各种突如其来的状况。因此，提升设备运行状况的好坏与否将直接影响着工人的生命和财产安全[2-4]。
目前，国内企业对于提升系统运行工况的监测，仍然只是利用上位机对故障进行简单的指示和记录。而上位机监测系统采集数据的速率有限且参数较少，无法精确地判断出故障的先后顺序。因此在故障发生后，上位机的报警系统往往会同时出现多条记录，无法帮助技术人员准确快速地排除故障，造成时间上的延误。轻则造成煤矿的财产损失，重则危及到工人的人身安全，存在着许多弊端[5-7]。
针对目前煤矿提升系统采集数据速率低、参数少、反馈不精确等问题，本文设计了一种基于互联网的提升设备工况监测和智能诊断系统。该系统主要由故障监测与智能诊断云平台和首发故障检测本地平台两部分组成。利用云平台，技术人员可以不受时间和地点的限制，随时对提升系统的运行状态进行监测，同时利用云端服务器对于系统进行故障诊断;而首发故障检测平台则能够第一时间记录首发故障信息，然后通过云平台通知技术人员，这样可以极大地减少生产方时间、金钱和精力的支出。
1 故障监测与智能诊断云平台
随着智能手机的普及，特别是近年来Wi-Fi、4G技术的飞速发展，以及即将到来的5G技术，都将移动互联网推向了时代的最前沿。这也为基于云平台的互联网诊断系统的发展奠定了一定的基础。本文提出的监测与诊断系统首先在云端通过B/S模式的网页制作技术搭建工况监测与故障诊断平台;然后将提升系统现场的数据实时发送至云端服务器进行快速处理;最后通过客户端即可对提升系统进行实时监测与故障诊断。
本系统的开发主要包括云服务器诊断中心和客户端平台两部分内容。云服务器诊断中心的开发重点是用于接收和存储上位机海量数据的云端数据库以及故障诊断算法的开发。本系统充分利用了云服务器强大的数据处理能力，快速地分析接收到的海量数据，通过优化的故障诊断算法准确地提取出故障信息。系统客户端的开发由本地服务器网页端程序和移动端APP两个部分组成。上位机将采集的海量数据通过路由器发送到云服务器诊断中心进行快速处理。同时本地客户端与云服务器进行通讯，实时获取云诊断中心处理过的监测和诊断数据。通过这种方式就可以像处理本地数据一样对远程的提升设备进行在线监测。此外，还可实现参数修改、程序编译和下载等功能，相当于提供了24小时的专家级现场技术支持。完全不受空间、时间的限制，大大提高了工作效率。
2 首发故障检测本地平台
煤矿提升系统出现故障时，往往会因为某一个故障的发生引发其他一系列故障报警。因此，如果系统能够检测出首先发生的故障，则大大有利于故障原因的排查，从而减少技术人员的工作量，提高生产效率。
本文提出的具有首发故障检测、智能上位机监控、高速数据采集和远程服务功能的监测系统采用了当今工控行业最先进的技术，包括：
·高速数据采集和分析软件;
·基于互联网的远程支持软件;
·西门子公司SIMATIC系列软件和网络通讯硬件;
·基于西门子公司SIMATIC WINCC软件开发的面向用户的智能上位机监控系统;
·先进的首发故障检测技术;
·系统集成技术和后台技术支持系统。
首发故障检测平台可以实现首发故障源的智能判断，并按照故障发生的先后顺序自动排序。解决了现场故障出现后，故障源难以准确辨认的问题。智能上位机监控系统采用西门子标准的组态软件WINCC。其界面直观友好，所有的故障均具备“信息三指示”功能，即准确指示故障信息的文字、故障对应的现场实际设备位置和故障对应的图纸及程序位置，解决了现场故障指示不清晰问题。
此外，本系统还具有记录故障停车时的制动距离、制动时间及制动前后的速度、行程、电流波形，并进行云端存储和备份。采用云端数据存储和备份，具有硬件投资少、性能可靠和可扩展性好等优点，并且与云端故障监测和诊断平台完美融合。
首发故障检测与智能诊断算法的主要关键技术有：
（1）首发故障的判断;
（2）故障的分类：提升机系统的故障种类繁多，有PLC自身故障、外部设备硬件故障、内部程序软件故障等，对故障进行合理的分类将对分析和处理故障有很大的帮助;
（3）故障树分析：对系统失效进行细致分析（顶事件），逐层向下追究所有可能的原因，找出系统元件失效、环境影响、人为失误及程序处理等硬件和软件因素（底事件）与系统失效顶事件之间的逻辑关系;
（4）故障先进先出队列的建立：故障按发生时间的先后顺序进入队列，然后由上位机将队列中的故障按时间顺序显示出来;
（5）根据故障分类及故障树分析法，建立合理的故障报警信息数据库。
3 工况监测与智能诊断系统的优点
通过以上分析，该工况监测与智能诊断系统可以在以下四个方面为用户带来益处：
（1）预防性维护。为降低设备失效或功能退化的概率，按预定的时间间隔或规定的标准进行维护。
（2）偶发性疑难故障排除。由外部环境偶发因素引起的故障，可通过存储的数据及图表进行一段时间或故障点前后几个周期的跟踪，分析出偶发问题因素进行整改;而积累性误差引起的疑难故障，可采集较长时间的数据或图形，对比期间变化，计算出结果进行排除。
（3）性能优化。观察运行曲线，对比相关参数，修正触发信号的时效性，缩短运行周期，提高生产效率。
（4）运行记录。本系统可以进行实时数据采集和存储重要数据图表，为远程分析和远程服务提供数据保证，同时也可作为事故分析的依据。此外，因为该系统是基于互联网云服务开发的，所有数据同步在云端存储，避免了数据损坏或者丢失问题。
4 结论
煤矿生产中，保障矿井提升设备正常工作是煤矿安全生产的关键环节。作为煤矿生产中的咽喉设备，本系统已实现预测精准度的提升和系统故障率的降低，同时还可以极大地提升系统工作效率。
参考文献：
[1]孟勋.物联网技术综述[J].中国科技信息，2018（23）：46-47.
[2]李浩洋.矿井提升机械安全可靠技术研究[J].当代化工研究，2019（07）：64-65.
[3]孙慧卿.基于行为安全管理的矿井提升系统安全管理研究[J].水力采煤与管道运输，2019（02）：11-13.
[4]马衍颂.扰动工況下深部矿井提升主绳多向耦合振动失稳机理及抑制策略研究[D].中国矿业大学，2019.
[5]寇少凯.深井提升系统故障诊断平台设计研究[D].太原理工大学，2018.
[6]刘毅红，敬华兵.冗余PLC控制变频调速系统在矿井提升机中的应用[J].控制与信息技术，2018（01）：38-41+51.
[7]常用根，江帆，陈潇.矿井提升装备健康状态监测系统设计[J].工矿自动化，2018，44（02）：38-42.
基金项目：江苏师范大学大学生实践创新训练计划项目（201810320109Y）
作者简介：李飞，江苏徐州人，博士，江苏师范大学电气学院讲师，研究方向为电力电子与电力传动。
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