矿井提升机远程监测与智能故障诊断系统.ppt

1,矿井提升机远程监测与智能故障诊断系统,2020年7月20日,技术交流,2,1、远程监测与故障诊断概述2、相关理论与技术3、提升机远程监测与故障诊断现状与发展方向4、本项目技术介绍,交流提纲,3,一.远程监测与故障诊断概述,现代机电设备发展的一个明显趋势是向大型化、集成化、连续化、高速化、柔性化和自动化方向发展。由此而使设备的功能越来越多，性能指标越来越高，组成和结构越来越复杂，价格越来越昂贵，同时对设备的管理与维修的要求也越来越高。因此保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。设备故障诊断技术正是在这样的实际需要中兴起和发展起来的。,4,1、设备状态监测与故障诊断发展主要经历阶段（1）第一阶段状态监测与故障诊断技术最初是依靠现场获取设备运行时的感观状态（如异常震动、异常噪音、异常温度、润滑油液中是否含有磨削物等），并凭借经验或多位专家进行分析研究来确定可能存在何种故障或故障隐患;（2）第二阶段随着测量技术和测量仪器的发展，状态监测逐步发展为依靠测量仪器进行设备关键部位数据的采集，并将获取的参数（如频率、振幅、速度、加速度、温度等参数）保存记录。通过对固有参数计算值与测量参数值进行对比，来确定故障种类或故障隐患点，或者通过对某些参数多次测量值的比较，依据其劣化趋势确定设备是否出现故障或故障隐患;,5,（3）第三阶段随着计算机技术的发展，设备管理已进入计算机管理模式，状态监测与故障诊断技术也发展到计算机时代，一些专用的状态监测仪器（如数据采集器）不仅能够测量、记录现场参数，还能进行一些简单数据的分析处理。要对数据作进一步的分析处理时，只需将数据采集器上的参数传入计算机，计算机便能对这些数据作出综合分析，并显示出相关的图谱，比如倍频谱图、倒频谱图、时域频谱图、幅值图等。同时，还可以通过计算机上的专家系统对所测得的数据进行综合评价;（4）第四阶段随着相关学科和计算机网络技术的飞速发展，状态监测与故障诊断技术的研究已进入深度和广度发展阶段。研究工作范围由本地监测诊断扩大到异地监测诊断，即远程监测诊断网络。,6,基于因特网的远程协作诊断研究工作最先是从医学领域开始的，1988年开放式远程医疗系统的概念在美国提出，人们普遍认为一个开放式远程医疗系统应包括远程诊断、专家会诊、信息服务、在线监测和远程学习几部分。1995年1月美国俄克拉荷马州的远程医疗系统投入使用。随着网络技术及通讯技术的发展，基于Internet的远程监测与诊断技术已引起国内外学者的广泛关注和重视，并投入了大量的人力物力进行研究。美国是最早开展机械状态监测和故障诊断技术研究的国家。1997年首届“基于Internet的工业设备远程诊断讨论会”在麻省理工学院和斯坦福大学联合主办，会上将设备的远程监测与故障诊断提高到新的高度，制定了故障诊断开发体系、诊断信息规程，并对未来的发展做了展望。,2、远程监测与故障诊断发展现状,7,我国在设备监测和故障诊断技术方面的研究虽然起步稍晚，但发展速度很快。西安交通大学轴承所建立了大型复杂设备网上远程诊断与处理支持中心（http//202.117.208.13）和大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统；东南大学开发出网络化的火电机组振动和故障诊断系统。此外，北京理工大学、南京航空航天大学等也在开展基于Internet的FMS远程故障诊断的研究，中国设备远程诊断网（），陕鼓风机（集团）有限公司、西安交通大学和阿尔斯通创为实技术发展（深圳）有限公司三家单位开发陕鼓旋转机械远程在线监测及故障诊断中心系统（http//219.144.132.194）。,8,3、传统的故障诊断技术存在以下几个方面的不足①故障诊断与维修受维修人力、技术和地域的限制，其时效性受到一定的影响;②由于故障诊断和维修资源不能共享，制约了维修水平的提高;③用户无法快速、及时获得所需零配件的信息;④维修单纯依靠一成不变的维修手册，缺乏针对性和灵活性;⑤维修服务的响应速度提高主要依赖于维修队伍和网点的扩大，由于受到成本的限制而无法得到不断的提升;⑥维修成本相对较高。,9,网络的普及和建设，给故障诊断技术的发展带来了新的发展思路与前景。将网络技术与故障诊断技术相结合，可构造一种全新的故障诊断系统，即基于网络的远程故障诊断系统，尤其是基于internet的远程监测与故障诊断系统。,10,4、主要激发基于Internet的设备远程监测与故障诊断系统的研究、开发和应用兴趣的因素1企业内部专家数量有限。进行诊断时，诊断者都需要根据设备当时的实际情况、现场的基本参数、使用第一手数据进行分析和判断。但由于企业内部专业技术人员比较少，设备出现故障时专家又由于地域原因不能及时到位，往往会因为时间的延误造成巨大的经济损失。而采取远程诊断这种经济、简便的方法通过计算机把现场数据及时送到专家手中，就可以像专家在现场一样准确、及时地做出判断、采取有效措施解决问题。,11,2在保证诊断性能的同时降低了系统成本。综合了单机在线监测与故障诊断和分布式在线监测与故障诊断方式的优点。对每台设备分别配置一套数采监测系统，多台数采监测系统共享一套诊断系统。这样，既保证了监测的实时性即使在诊断时也能保证不中断监测，又节约了监测诊断系统的成本。,12,3实现了诊断知识的共享，避免了知识的重复获取。在全球企业中，具有相似设备的企业经常分布在不同地区，完全可以使用相同的基干知识的诊断系统。在工作过程中，在一个企业中发现的新规则可能对于另一个企业完全是未知的，这将导致同样的知识获取过程要在许多不同的地区重复，时间被浪费了。而基于Internet的设备远程监测与故障诊断系统可以使不同的监测诊断现场与同一个诊断中心建立联系，所有的诊断信息都可由网络获得，使在不同企业的用户共享同样的诊断知识，通过Internet可以搜集尽可能多的知识，它是一个完全开放的系统。,13,1由于机电设备状态监测获取的数据量很大，常规的数据处理方法会遇到极大的困难，开发新的数据分析技术和故障诊断软件很有必要，智能状态监测系统将得到进一步研究，尤其是神经网络技术、知识系统、模糊逻辑等会得到更广泛的应用。,4、远程监测与故障诊断技术的发展趋势,14,2对如何根据检测到的数据做出相应的判断，以及对新的更有效的检测项目和检测方法等方面的基础研究将得到进一步加强，专家经验的积累和应用也将得到更多的重视和加强。3多功能、多状态的在线监测系统将得到进一步发展。4设备状态的远程诊断和网络化跟踪。发展远程监测与诊断技术可充分实现诊断知识与数据共享，弥补现场工作人员经验的不足，提高故障诊断的准确性。同时，状态监测系统与继电保护将有机地结合起来。,15,二.相关理论与技术,远程监测及故障诊断的最大特点是跨地域性，即监测诊断系统和被监测诊断对象分布在不同地域，它们通过网络进行信息交换。要使传统监测故障诊断技术的核心部分信号采集、信号分析和专家诊断能够通过网络在远程进行。,16,17,关键理论与技术之一-----远程数据通信,1、设备故障远程监测的实现方式概述2、当前机电设备远程数据通信的模式,18,1、设备故障远程监测的实现方式概述,远程监测与故障诊断主要包括诊断知识的表达、诊断知识的获取及其软件实现、诊断知识的扩展软件实现以及如何实现用户与诊断中心的交互。远程监测与故障诊断在工业控制的实际应用中，可采用不同形式来实现。主要有点对点型和网络型。,19,（1）点对点型点对点型远程监测与故障诊断是指通过本地Modem、公用电话网、远端Modem来监测远端设备，主要有两种实现方式。①远程采集即通过本地计算机、本地Modem、公用电话网、远程Modem、远端的通讯设备如通讯仪表、通讯模块等，直接对远端通讯设备进行远程监控。②远程监控即通过本地计算机、本地Modem、公用电话网、远程Modem、远程计算机、远端的通讯设备，通过对远端计算机进行通讯来检测、控制、诊断和故障调试。点对点远程监测简单实用，设备要求少，在远程监测时，只要企业提供公用电话线即可，设备供应商就可通过特定的软件对其设备进行监测。其缺点是不能实时联接，数据流量小，不能做到资源共享，企业无法获取新的诊断方法。,20,（2）网络型网络型远程监测与故障诊断是一个开放的分布式系统，是一种真正的客户服务器模式，可运行在基于TCP/IP网络协议的网上，使用户能够实现上、下位机以及更多层次的厂级连网。TCP/IP网络协议提供了在不同硬件体系结构和操作系统的计算机组成的网络上进行通信的能力，一台PC机通过TCP/IP网络协议可以和多个远程计算机即远程节点进行通讯。该网络具有Internet模式，是基于浏览器/服务器模式的一种新型的客户/服务器体系结构，采用基于WebServer的三层结构。客户端以通用的浏览器为基础IE，服务器端由Web服务器及数据库两层结构组成。Internet是以TCP/IP协议为基础，以Web为核心的网络，服务器端的开放和基于标准的连接方案大大加强了企业与外部的联系，数据库不是直接服务于每个客户机，而与Web服务器沟通，有利于实现对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。,21,（1）在现场设备与信息网络之间加入转换接口。通过硬件实现，即在设备与中间监控层之间加入中继器、网桥等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。转换接口的集成方式功能较强，但实时性和可维护性较差。信息网络一般是采用TCP/IP协议的以太网，没有考虑数据传输的实时性，当现场设备要上传大量信息或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。因为提升机系统涉及到众多厂家的设备，转换接口的实现也是相当复杂。,2、当前机电设备远程数据通信的模式,22,（2）在现场设备与信息网络之间采用统一的协议标准。从底层设备到中间监控层，考虑采用统一的协议标准，则确保信息能够准确、快速、完整的传输，又简化了系统设计。这种方式将成为现场设备与信息网络完全集成的最终解决方案。如采用工业以太网协议就可以兼容TCP/IP，因此可以方便地实现以太网和Intranet/Internet的集成，使控制网络与信息网络紧密地结合在一起，但就目前形势而言，多种总线标准并存，信息网络协议也不尽相同，要使用统一的协议标准，还有许多问题要解决。,23,（3）在现场设备与信息网络之间采用开放技术实现数据通信。当现场设备和信息网络之间具有中间系统或共享工作站时，可以采用开放数据接口标准来实现网络集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换信息，中间系统中的通信处理机是控制网络的工作站，也是信息网络的工作站。其功能一是接收、校验实时信息的通信程序，为信息网络数据库提供实时数据信息；二是数据访问应用程序接口，它将控制网络的实时数据写入信息网络数据库中，供上层人员实现信息处理、统计分析等功能。,24,DDE技术与OPC技术比较,1、DDE是在微软的WIN32用程序之间共享和交互数据的一种方法。DDE协议在应用程序间传送信息，使得应用程序共享数据和采用共享的内存交换数据。应用程序采用DDE协议，可以一边传送数据，一边交换数据，应用程序就可以相互更新数据，实现了数据的传输。,25,,基于DDE的数据通信,26,2、OPC是ObjectLinkingandEmbedding（OLE）forProcessControl的缩写，它是微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用。OPC以OLE/COM/DCOM技术为基础，采用客户/服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供了统一的标准，这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法，从而使得OPC能够提供通用的接口用于各种过程控制设备之间的通讯，不论过程中采用什么软件和设备。,27,,OPC发展动态如表,28,,OPC客户端、OPC服务器端及硬件之间的关系,29,,基于OPC的数据通信,30,OPC技术在工业控制领域应用中的作用OPC解决了设备驱动程序开发中的异构问题。OPC解决了现场总线系统中异构网段之间数据交换的问题。OPC可作为访问专有数据库的中间件。,31,DDE和OPC的性能比较,32,关键理论与技术之二------故障诊断技术,故障诊断是一门综合性科学，它涉及多门学科，如现代控制理论、信号处理、模式识别、计算机工程、人工智能、电子技术、数理统计以及与对象相关联的生产过程原理知识等。故障诊断技术在不同的应用领域，与不同的学科相结合产生了多种故障诊断方法。按照国际故障诊断权威德国的Frank教授的观点，所有的故障诊断方法可以分成基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法。,33,34,基于知识的故障诊断方法主要可以分为专家系统故障诊断方法；模糊故障诊断方法；故障树故障诊断方法；神经网络故障诊断方法;数据融合故障诊断方法。,35,①专家系统故障诊断方法,36,②模糊故障诊断方法,37,③故障树故障诊断方法,38,④神经网络故障诊断方法,39,⑤数据融合故障诊断方法,40,三类诊断技术的比较,41,三.提升机远程监测与故障诊断现状分析,提升机是煤矿生产的关键设备之一，是一种集机、电、液于一体的大型复杂设备，担负提升煤炭、矸石，下放材料，升降人员和设备的任务，被称为是“矿井的咽喉”。特别是近些年来，随着现代高产高效矿井的发展，煤炭产量不断增长，提升任务越来越重，设备运行时间越来越长，提升机往往处于超负荷运行状态，因此进行提升机故障诊断，是确保提升机安全、有效、经济地运行的内在需求。利用故障监测技术，及时发现设备的异常状况，进行早期诊断，排查零部件的故障，可以确保提升机的安全运行。利用故障监测与诊断技术，还可以改变以往的维修体制，变定期维修为预知维修，节省大量的维修费用，实现提升设备的经济运行。,42,美国是最早开始系统研究提升机故障诊断技术的国家，紧随其后英国、瑞典、日本等国家也相继开展了这一领域的研究，并在许多方面取得了丰富的科研成果，创造了惊人的经济和社会效益。我国是在80年代中期开始设备故障诊断技术研究的，从整体上看尚属跟随性研究阶段，但在一些领域也取得了丰硕的成果，如哈尔滨工业大学、东南大学等高校、科研机构相继开发出了多种类型的在线和离线提升机诊断系统，在保障提升机安全运行方面做出了贡献。,43,在提升机工况监测监控系统方面，国内外的科技工作者主要是针对提升机的电控系统及其保护进行了大量的工作，研制了多种仪器来监测提升机的运行参数。总体来说，国外在提升机状态监测系统研制方面的水平较高，如ABB公司、SIEMENS公司生产的提升机监控系统，可以对提升机安全系统、速度控制系统和制动系统中的大部分参数进行监护与控制。在国内，也有不少公司进行这方面的工作，如焦作华飞、洛阳中信、中矿传动和天津深蓝等，主要是在原有老提升系统的基础上进行计算机辅助监测系统改造，也都取得了不错的效果。,44,在矿井提升机故障诊断研究方面，同样可以分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三大类,比如1、基于解析模型的方法有部分学者应用摩擦学、传感学和机械振动等理论，对摩擦提升的制动失效、过卷、滑动故障建立了故障分析模型；提出了利用小波极大模方法来判定制动正压力；建立了提升机齿轮箱动力学模型，并对变载荷齿轮减速箱的故障机理进行了研究。通过对提升机主轴振动信息的分析，来判断提升机的工作状态，对提升机盘式制动机故障机理进行了受力分析，提出了用状态参数诊断制动器故障的方法；研究了提升容器在运行过程中与井筒装置相互作用的力学性质，建立了矿井提升过程中，罐笼对应灌道的三种基本动力学模型；,45,2、基于信号处理的方法有在提升机故障诊断方面，主要做了以下工作利用小波对模拟量进行去噪，并探讨通过小波对特征参数中制动正压力智能判别问题；运用小波提取提升机钢丝绳断丝故障特征信号，判断钢丝绳断丝的位置。3、基于知识的方法有根据提升机运行故障特征参数多、诊断复杂的特点，提出适合诊断其故障的智能诊断方法，该方法将深、浅知识相结合，神经网络和专家系统相融合，知识表示方法采用的是面向对象的基于故障树的框架和规则的混合知识表示，并采用深度优先搜索、正反向混和推理策略。,46,四.提升机远程监测与故障诊断发展趋势,1、矿井提升机系统监测与前沿性技术成果的紧密结合。随着计算机技术、人工智能技术和电力电子技术的发展，为在线监测提供了巨大的技术支持，今后高速度的运算处理器结合人工智能技术如神经网络、模糊逻辑和专家系统为状态监测和故障诊断所必不可少。2、以单台设备为目标的在线监测向整体监测延伸。维修管理将不再局限于某一设备个体，因为矿井提升机的检修停运涉及到整个煤矿生产系统的运行。3、矿井提升机设备状态的远程监测和网络化跟踪。基于因特网的故障监测将成为现实，将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，监测设备状态数据，实现对设备故障的早期诊断和及时维修。,47,本项目来源于中国煤炭工业协会2007年度科学技术研究指导性计划项目之一“矿井大型提升机远程智能故障诊断技术研究”的子课题。,五.项目介绍,1、项目来源,48,目前矿井提升机系统主要使用结构,49,2、提升机远程监测和智能故障诊断系统的目的,基于网络环境下，实时监测矿井提升机的运行，记录提升机运行状态，检测系统是否出现异常，当检测到异常或故障时启动报警，并指出故障的位置和原因，并给出处理该故障的辅助专家意见。,50,3、项目系统功能,基于网络环境建立矿井提升机远程监测与智能故障诊断系统的主要功能如下（1）能远程显示现有监测系统的主要显示功能；（2）对提升机的运行状态的主要记录进行优化存储；（3）建立灵活的故障规则对提升机出现的故障进行诊断；（4）建立辅助专家知识库，对提升机出现的故障给出辅助决策信息；（5）建立提升机故障信息Web发布系统；,51,,4、项目系统模块与网络结构,,从系统功能角度上看，提升机远程智能故障诊断系统可由四部分组成提升机状态监测子系统、远程数据通信子系统、智能故障诊断子系统和Web查询子系统。,52,（1）提升机状态监测主要是指在提升机运行过程中对提升机的运行参数进行监测。（2）远程数据通信系统主要是把监测过程中所获取的数据，通过网络传输到远程服务器，作为下一步故障诊断的数据来源，这是提升机远程监测的一个重要环节。（3）智能故障诊断系统将故障树分析法与基于规则的诊断专家系统相结合的方法，通过故障树自动生成专家系统诊断规则库，实现诊断知识的自动获取，并确保诊断知识的一致性和完备性。实现具有友好的人机交互界面、正向与逆向混合推理和具有解释功能的提升机故障诊断专家系统。（4）Web查询子系统以Web方式展现的故障诊断功能,，可以查询历史故障，历史异常，历史行程以及历史运行数据。这些历史数据的存储为下一步的决策分析和研究工作奠定了基础。,53,,,网络拓扑结构,54,5、项目的关键技术,（1）本文采用C/S与B/S混合软件体系结构的方式,55,（2）基于OPC订阅访问方式的提升机监测数据采集系统,56,（3）故障树与专家知识系统相结合的交互式故障诊断方法,57,（4）基于正则表示式的故障规则表示与解析方法,正则表达式是用来操作和检验字符串数据的一种强大的工具。正则表达式是一串特殊的字符串，它转换为某种算法，根据这个算法来匹配文本。,58,规则匹配与解析的流程图,59,（5）基于MSMQ技术的数据通信方法,MessageQueue微软消息队列是在多个不同的应用之间实现相互通信的一种异步传输模式，相互通信的应用可以分布于同一台机器上，也可以分布于相连的网络空间中的任一位置。它的实现原理是消息的发送者把自己想要发送的信息放入一个容器中（我们称之为Message），然后把它保存至一个系统公用空间的消息队列MessageQueue中；本地或者是异地的消息接收程序再从该队列中取出发给它的消息进行处理。,60,MSMQ数据通信部分数据流图,61,6、功能概要展示综合管理平台,62,设置数据通信服务器的连接参数，如服务器的位置，登录帐号，密码等信息。,数据通信配置,63,故障树管理,该子系统实现故障的诊断功能，并能实时的给出报警，并记录故障的信息到数据库。故障树、规则、专家意见等信息通过故障诊断管理器进行管理。,64,专家意见,65,出现故障后，故障诊断子系统依据故障类型，采取相应的报警动作，指出故障位置，故障原因，及专家意见。,故障报警,66,实时显示提升机关键信息，可以判断发生异常的图形。,实时曲线,67,历史故障数据查询,68,WEB子系统,69,WEB子系统,70,WEB子系统实时信息发布,71,WEB子系统实时信息发布,72,WEB子系统历史信息查询,73,（1）实现了基于internet的矿井提升机群远程监测系统随着计算机网络技术的发展，煤矿企业的信息化建设不断深入，实现对矿井多台提升机的远程实时监测，可以使管理和维护人员能够全天候掌握多台提升机的现场运行情况，对提升机群发生的故障能够快速地加以处理，提高煤矿安全生产的质量。本项目从逆向工程的角度分析了矿井提升机实时监测监控系统中的进程间通信关系，提出了一种面向提升机群的网络化通信模型，利用分布式实时中间件技术传输系统运行数据，从而实现了异步网络环境下的分布式进程间交互通信，利用该方法实现了矿井提升机群的网络化监测系统。,7、项目特点,,74,,,（2）建立了提升机交互式智能故障诊断专家系统结构本项目中提出了一种网络化的矿井提升机交互式智能故障诊断体系架构，其具有良好的交互性和先进的智能诊断技术于一体，既能够对发生的故障进行智能诊断，又使专家和维护人员与系统之间能够良好地交互，高度的交互性和智能性使提升机交互式智能诊断系统成为专家与现场维护人员之间沟通的桥梁，并且实现了提升机故障诊断交互式推理系统，优化了提升机故障诊断的方法，改善了提升机故障诊断原有诊断规则不灵活的问题，提高了故障诊断效率。,75,,,（3）实现了面向提升机群的异步网络实时通信系统结构本系统分析了矿井提升机分布式实时系统中的进程间通信关系，提出了一种面向提升机群异步网络实时进程通信模型，利用反射植入机制收集动态信息，从动态信息中恢复出体现进程间通信关系和创建关系的进程结构图，进而实现了分布式进程间交互的层次化的多机通信机制，利用该方法实现的矿井提升机群的分布式实时通信系统，使传统的单个故障诊断系统转变为面向提升机群提供提升机实时数据传输与智能故障诊断的综合系统，该结构有利于系统集成和数据整合，有效地避免了系统冗余和资源浪费，代表了提升机监控系统的发展趋势。,76,,,（4）设计并实现了基于预制文本和执行追踪的提升机故障诊断规则解析系统本系统采用预制文本和执行追踪两种解释方法向远程用户和领域专家提供有效的规则解析，系统首先对故障结论的解释是采用预制文本方法，将设备组成，类型、故障及故障原因等语义信息通过时序逻辑方法转换为半结构化数据形式表示，即预先根据各种故障类型，将其产生原因、解决办法和防止措施写成文本形式存入系统知识库中，故障推理机根据实时监测数据，并结合故障知识库中的规则和实例进行推理判断给出诊断结果，从而提高了故障诊断的速度和效率，也增强了故障诊断规则获取的灵活性。,77,8、项目应用情况,,矿井提升机远程监测与智能故障诊断系统于2007年10月在鹤岗煤业（集团）有限责任公司峻德矿主副井四台提升机进行现场安装以来，运行状况良好，系统稳定可靠，大大提高了矿井提升安全可靠性。本系统现在宁煤集团石炭井二矿副井已经安装调试完成，试运行中。,78,1、现场实践经验与科研机构的理论相互结合2、现有或在建的远程监测与故障诊断系统不应是孤立的，仅是煤矿数字化的建设的中间环节，最终应是各个机电设备监控和安全生产监控的整体联动体系。,总结与体会,79,谢谢,