一、項(xiàng)目的必要性

（一）研發(fā)的必要性、目的及意義

1.現(xiàn)狀分析

提升系統(tǒng)為礦井的重要設(shè)備，為井上和井下聯(lián)通的咽喉設(shè)備，其安全運(yùn)行對于煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要。但是，礦井提升機(jī)故障而導(dǎo)致生產(chǎn)事故也屢屢發(fā)生。1988年4月，云崗礦井提升機(jī)由于液壓系統(tǒng)失靈以及制動系統(tǒng)故障造成箕斗墜落井底；2006年1月，晉華宮煤礦副井提升機(jī)重載情況下控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致過卷事故，致使2人死亡，11人受傷；2007年9月，煤峪口礦井提升機(jī)由于電氣設(shè)備老化，致使電纜著火，生產(chǎn)過程連續(xù)性受到嚴(yán)重干擾，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。因此加強(qiáng)礦井提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控，不僅僅關(guān)系到煤礦生產(chǎn)效率，更是與煤礦生產(chǎn)安全密切相關(guān)。提升機(jī)設(shè)備健康狀態(tài)直接影響提升機(jī)的安全運(yùn)行，對其健康監(jiān)測與預(yù)警分析保證礦井安全生產(chǎn)。

近年來，國家為了保證煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)，出臺了一系列安全規(guī)程，對提升系統(tǒng)的安全問題也越來越重視。在《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦機(jī)電設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)》中對提升系統(tǒng)的安全有明確規(guī)定，要求對正常生產(chǎn)的提升系統(tǒng)進(jìn)行定期技術(shù)測定，及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，做到防患未然，保證提升系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。這種定期測定的方法，實(shí)際上是傳統(tǒng)計劃預(yù)防維修思想的體現(xiàn)，它通過定時拆卸分解維修的維修方式，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的定期全面檢修。這種維修思想認(rèn)為預(yù)防工作做的越多，設(shè)備運(yùn)行越可靠。但實(shí)踐證明：不少故障不可能通過細(xì)而密的定期維修得到解決，相反會因頻繁的拆卸出現(xiàn)更多的故障。設(shè)備的可靠性不能通過維修得到改善，分解檢查不能鑒定零件的可靠性下降的程度，且復(fù)雜設(shè)備的偶然故障是不可避免的。計劃預(yù)防維修制度存在大量的過剩維修或者欠維修，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，已不適應(yīng)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展的需要。另外煤礦企業(yè)的維修人員大多缺少專業(yè)的培訓(xùn)，也不能解決提升系統(tǒng)出現(xiàn)的重大故障，并且煤礦企業(yè)大多地處偏遠(yuǎn)，提升系統(tǒng)一旦發(fā)生重大故障，專業(yè)維修人員往往不能及時趕到，而遠(yuǎn)程專家又不能獲得全面有效的提升系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，不能對提升系統(tǒng)故障狀況做出正確有效的判斷，故障長時間得不到解決，輕者會造成停產(chǎn)，重者會威脅煤礦職工的生命安全。因此，對礦井提升機(jī)的故障、狀態(tài)監(jiān)測和安全研究，引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)的重視。

兗礦集團(tuán)的礦井提升機(jī)絕大部分為引進(jìn)的進(jìn)口提升機(jī)，從最初70年代引進(jìn)的波蘭模擬式控制系統(tǒng)，例如南屯煤礦混合井提升系統(tǒng)，到最近引進(jìn)的大功率交流變頻、全數(shù)字式控制提升機(jī)，例如趙樓煤礦、石拉烏素、營盤壕煤礦的主副井提升機(jī)。針對提升機(jī)老化的控制系統(tǒng)，集團(tuán)公司持續(xù)有計劃的進(jìn)行升級改造，例如目前濟(jì)寧二號井煤礦、鮑店煤礦、東灘煤礦等均進(jìn)行了數(shù)字式提升控制系統(tǒng)的改造和升級。目前提升機(jī)已經(jīng)具有以下特性：① 已經(jīng)部署了多種傳感器設(shè)備，對提升進(jìn)行安全狀態(tài)的監(jiān)測；② 采用全數(shù)字式PLC控制，并具有較高的控制精度，具備全自動運(yùn)行基礎(chǔ)；③ 具有較完善的維護(hù)、巡檢等管理制度。隨著近幾年電子信息技術(shù)快速發(fā)展，以及企業(yè)對安全生產(chǎn)要求的不斷提高，兗礦集團(tuán)對提升機(jī)運(yùn)行、維護(hù)、管理提出了新的要求。但是，提升機(jī)在健康運(yùn)行、維護(hù)、管理等方面面臨諸多新的形勢與不足，具體主要表現(xiàn)在以下方面：①針對現(xiàn)有礦井提升裝備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采取單一的信號進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，易出現(xiàn)誤判的問題；② 監(jiān)測工作主要依靠經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)信息利用不充分；③ 運(yùn)維管整體仍以輔助信息化為手段，智能化程度不高；④ 不能及時在萌發(fā)階段實(shí)現(xiàn)故障與異常監(jiān)測，預(yù)測性不強(qiáng)；⑤ 維護(hù)運(yùn)行技術(shù)力量相比于生產(chǎn)要求持續(xù)減弱；⑥井筒中的提升裝備普遍缺乏現(xiàn)代化的監(jiān)測手段和故障預(yù)警分析。

提升機(jī)的健康、安全運(yùn)行直接影響礦井的生產(chǎn)安全和作業(yè)人員的人身安全，目前基于安全風(fēng)險預(yù)控視角對礦井提升過程及運(yùn)行環(huán)境的安全性進(jìn)行分析研究與應(yīng)用相對較少，礦井提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)將集成提升機(jī)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、外圍設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（例如：電機(jī)軸承溫度、振動、提升機(jī)軸承底座振動、提升鋼絲繩狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、提升機(jī)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等），實(shí)現(xiàn)全方位協(xié)同監(jiān)測，并對多源監(jiān)測信息進(jìn)行深度協(xié)同挖掘分析，提取礦井提升系統(tǒng)異常及故障產(chǎn)生的根源，有利于對提升機(jī)故障的準(zhǔn)確預(yù)控，保證提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高礦井的安全生產(chǎn)效率。同時，提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)將填補(bǔ)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的市場空缺，產(chǎn)品技術(shù)可以達(dá)到國際領(lǐng)先水平，對我國的煤礦及相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

2.目的及意義

趙樓煤礦作為兗州煤業(yè)股份有限公司支柱礦井，不僅要完成預(yù)定的生產(chǎn)目標(biāo)，同時提升機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到公司整體安全生產(chǎn)運(yùn)行，且其在運(yùn)行與維護(hù)工作中面臨的形勢與不足尤為明顯。趙樓煤礦主副井提升機(jī)進(jìn)口西馬格機(jī)械部分和西門子控制系統(tǒng)，控制部分均采用全數(shù)字PLC控制系統(tǒng)，上位監(jiān)控部分采用了WINCC組態(tài)軟件，驅(qū)動部分采用了交交變頻速度調(diào)節(jié)技術(shù)，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生了大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)當(dāng)前僅僅被作為監(jiān)視數(shù)據(jù)，沒有進(jìn)行有效利用；同時在日常巡檢、維護(hù)檢修中，也伴隨產(chǎn)生了大量的有用信息和數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也沒有被有效利用。

本項(xiàng)目計劃在目前提升機(jī)主設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測與外圍監(jiān)控信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多個提升狀態(tài)監(jiān)測關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析及人工智能等先進(jìn)技術(shù)，針對提升系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，研發(fā)一套礦井提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)，充分提高提升機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行、檢修、維護(hù)、管理等方面智能化、可靠性、科學(xué)性和預(yù)見性，并降低提升機(jī)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中對運(yùn)維人員力量的需求。

本項(xiàng)目的主要研究目的及意義可簡要概況如下：

（1）通過構(gòu)建提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)，在提升機(jī)主設(shè)備、外圍設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測、巡檢和維護(hù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，完善多源關(guān)聯(lián)信息的采集功能，通過實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備多變量全方位在線監(jiān)控，提高提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)時性與可靠性。

（2）實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的融合，提高提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化水平。通過系統(tǒng)B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺和智能移動終端APP的互動，實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備與系統(tǒng)平臺關(guān)鍵數(shù)據(jù)的共享，達(dá)到全方位利用數(shù)據(jù)信息的目的。

（3）通過采用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等算法，挖掘歷史數(shù)據(jù)庫信息，結(jié)合多變量實(shí)時信息，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)異常及故障的智能診斷和預(yù)測，提高提升機(jī)系統(tǒng)故障的預(yù)控能力。

（4）通過大量數(shù)據(jù)的采集和分析，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備的全生命周期管理，有利于提升系統(tǒng)的合理化改進(jìn)、保養(yǎng)周期分析、確保設(shè)備維修保養(yǎng)及時有效，延長設(shè)備使用周期，同時為降低用戶維護(hù)成本、停機(jī)時間提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

（5）通過數(shù)字化對設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固化，提高設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)利用率，以降低對提升系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人工力量需求，避免有經(jīng)驗(yàn)工人流失帶來的不利影響。

（6）根據(jù)提升系統(tǒng)各個裝備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析趨勢模型，從機(jī)電一體化的機(jī)理進(jìn)行健康分析預(yù)警，保障提升系統(tǒng)長期安全運(yùn)行。

隨著本項(xiàng)目的礦井提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)推廣應(yīng)用，它呈現(xiàn)出的良好效果勢必將會對礦井提升系統(tǒng)安全運(yùn)行和管理產(chǎn)生改革性影響。隨著歷史數(shù)據(jù)積累和大數(shù)據(jù)分析算法的持續(xù)優(yōu)化，礦井提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)控、故障診斷與預(yù)測也會逐步成熟，必將對礦井安全產(chǎn)生更加積極的作用。此外，本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等先進(jìn)技術(shù)展開研究，所研發(fā)的礦井提升機(jī)協(xié)同監(jiān)測與安全風(fēng)險分析預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)用范圍不局限于提升機(jī)，還可以通過網(wǎng)絡(luò)互連，擴(kuò)展和延伸到其他生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。

（二）國內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢

礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣、高速度、慣性大、運(yùn)行環(huán)境惡劣、可靠性與穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)，一旦發(fā)生故障， 輕則導(dǎo)致全礦生產(chǎn)陷于停頓，重則可能造成嚴(yán)重的人身傷亡事故， 因此對礦井提升系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控方法研究與監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、保障企業(yè)安全生產(chǎn)、提高企業(yè)效益等都具有重要意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于礦機(jī)提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)研究和研發(fā)工作尚未全面展開，部分信息技術(shù)企業(yè)及相關(guān)科技工作者已經(jīng)開展了前瞻性研究，其總體技術(shù)路線是：融合 PLC 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)等設(shè)計礦井提升機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)，此類系統(tǒng)以 PLC 為控制核心，結(jié)合傳感器等信息采集設(shè)備與輸出設(shè)備，以及人機(jī)交互設(shè)備，建立系統(tǒng)整體架構(gòu)，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程化。盡管當(dāng)前已經(jīng)存在部分礦井提升機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)想，然而這些方案尚存在諸多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）監(jiān)控信息的利用不完善，主要進(jìn)行提升機(jī)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，對提升機(jī)關(guān)聯(lián)信息的分析不夠，使得對提升系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的多源信息分析不夠充分，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的全方位多角度融合估計；

（2）數(shù)據(jù)分析技術(shù)落后，主要是采用單變量與其閾值進(jìn)行比較進(jìn)行異常監(jiān)控，這類方法盡管實(shí)現(xiàn)便捷，但是容易受噪聲影響，導(dǎo)致大量的誤報警信息；

（3）系統(tǒng)功能單一，主要是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)系統(tǒng)的異常監(jiān)控，對于提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、優(yōu)化等工作無法提供可靠支撐；

（4）系統(tǒng)可擴(kuò)展性不強(qiáng)，主要是系統(tǒng)一旦部署完成，則在后期的跨平臺交互、終端擴(kuò)展等方面面臨無法同時實(shí)現(xiàn)對終端的有效支持，不適應(yīng)于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)發(fā)展趨勢。

（5）沒有把提升裝備作為一個機(jī)電系統(tǒng)來健康分析，提升機(jī)應(yīng)該作為一個整體的機(jī)電系統(tǒng)來協(xié)同預(yù)警分析。

隨著德國工業(yè)4.0以及中國制造 2025的提出，到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，云計算，邊緣計算，物聯(lián)網(wǎng)，甚至是大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的行業(yè)已經(jīng)在企業(yè)數(shù)字化、智能化道路上踏穩(wěn)了堅實(shí)的步伐，成為了先驅(qū)。而這些成熟的技術(shù)也將為礦井提升機(jī)協(xié)同監(jiān)測與安全風(fēng)險分析預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目研究提供有力的技術(shù)支持和可靠保障。 

物聯(lián)網(wǎng)是利用網(wǎng)絡(luò)無處不在的理念建立起來的一個全新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用到軍事、交通、電力、建筑、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)的成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展將大力推動煤礦信息化的進(jìn)步。礦井提升機(jī)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合將提高礦井提升系統(tǒng)狀態(tài)的感知能力。為此，基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)信息監(jiān)測系統(tǒng)成為了煤礦機(jī)電自動化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，可以遠(yuǎn)程完成對提升機(jī)的信息采集、故障監(jiān)測、診斷及維護(hù)等工作，并能提供遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)，為提升機(jī)異常及故障的判斷和處理提供不可替代的優(yōu)勢，可以大大提高提升機(jī)的運(yùn)行可靠性。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是繼云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)之后又一重大的技術(shù)革命。大數(shù)據(jù)技術(shù)是指通過使用智能傳感器、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、以及數(shù)據(jù)處理軟件等捕獲數(shù)據(jù)的技術(shù)。大數(shù)據(jù)具有存儲數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)處理超快、數(shù)據(jù)類別繁多、數(shù)據(jù)真實(shí)性需要進(jìn)一步處理才能獲取、數(shù)據(jù)有效價值密度低等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，成為不可或缺的生產(chǎn)要素。作為礦井提升機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、存儲要求極為苛刻。針對數(shù)據(jù)的海量化、多樣化、快速化等特點(diǎn)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過對煤礦提升系統(tǒng)中存儲的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理、數(shù)據(jù)挖掘等過程，提取煤礦提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的有用信息，以便煤礦安全生產(chǎn)工作高效管理。

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能從誕生以來，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。智慧礦山也是人工智能應(yīng)用的典型領(lǐng)域之一?；谌斯ぶ悄艿奶嵘龣C(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展將提高提升機(jī)異常及故障的分析及預(yù)控能力，提高提升機(jī)的安全管理水平。

（三）相關(guān)技術(shù)專利檢索及創(chuàng)新性分析情況

項(xiàng)目具有創(chuàng)新性和原創(chuàng)性，沒有密切相關(guān)性專利。

二、研究開發(fā)內(nèi)容

礦井提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)是將提升機(jī)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息與外圍設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（包括提升機(jī)速度、軸承振動、電機(jī)電流、溫度及提升環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等）監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成一個多源監(jiān)測信息的協(xié)同分析系統(tǒng)，充分挖掘和分析由各種途徑獲取的與提升過程相關(guān)的提升設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境的安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，對與礦井提升機(jī)安全狀況有關(guān)的異常信號、故障發(fā)生源進(jìn)行分析和評價，實(shí)現(xiàn)對礦井提升機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前安全狀況的分析，并確定其變化趨勢，以形成對礦井提升機(jī)突發(fā)性安全問題或長期性安全隱患的預(yù)報預(yù)控。通過大量設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，充分挖掘數(shù)據(jù)價值，實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備的全生命周期管理，確保設(shè)備維修保養(yǎng)及時有效，延長設(shè)備使用周期，同時為降低用戶維護(hù)成本、停機(jī)時間提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。通過數(shù)字化對設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固化，提高設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)利用率，以降低對提升系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人工力量需求。礦井管理人員和維修維護(hù)技術(shù)人員登陸現(xiàn)場工作站或移動APP端即可訪問設(shè)備狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)分析信息，隨時隨地的掌握設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)也會在第一時間通過終端告知礦井維護(hù)技術(shù)人員設(shè)備的異常情況、故障信息、維護(hù)提醒等，給管理者、技術(shù)員及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員提供有效的決策依據(jù)和參考信息。

本項(xiàng)目的主要研發(fā)內(nèi)容如下：

（一）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集層是提升機(jī)健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)的底層，主要是綜合運(yùn)用傳感技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等安全檢測監(jiān)控技術(shù)對礦井提升過程的安全運(yùn)行健康狀況進(jìn)行實(shí)時、動態(tài)和數(shù)字化采集與存儲，從而構(gòu)建一個礦井提升機(jī)系統(tǒng)多源關(guān)聯(lián)信息共享平臺。采用先進(jìn)傳感技術(shù)，借助遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)及時有效地進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立數(shù)據(jù)信息共享和交互平臺，從而保障礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)辨識、故障維修及設(shè)備維護(hù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。

圖1 提升機(jī)設(shè)備健康監(jiān)測與協(xié)同分析預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

目前提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用PLC控制，都支持OPC通訊協(xié)議，且OPC協(xié)議的數(shù)據(jù)采集具有采集周期短、安全性高、配置簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)將采用標(biāo)準(zhǔn)的OPC通訊周期性采集PLC中的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)連接采用以太網(wǎng)連接。

1.提升機(jī)振動監(jiān)測子系統(tǒng)

礦井提升機(jī)振動異常監(jiān)測方案如圖2 所示，主要包括對振動樣本位移、速度和加速度等信號的測量、無線通信等過程。提升機(jī)振動監(jiān)測以嵌入式終端為核心，利用安裝在提升機(jī)電機(jī)、減速器和卷筒軸承附近的三維加速度傳感器組在線檢測振動加速度信號，再通過積分運(yùn)算獲取振動速度和位移。振動樣本經(jīng)嵌入式主控制器預(yù)處理，并利用無線通信將監(jiān)測信號發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖2 提升機(jī)振動監(jiān)測方案

嵌入式主控制器選擇內(nèi)置ZigBee 射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型8051 內(nèi)核、8 kB RAM 和128 kB 閃存Flash的CC2530，兼具振動樣本處理和ZigBee 無線通信等功能。振動樣本測量采用LIS3DH 數(shù)字MEMS 傳感器，可在線測量三維加速度信號。由于LIS3DH 傳感器輸出為IIC 信號， 接口配置OD2101 芯片轉(zhuǎn)化為UART，將三維加速度信號采集輸入到CC2530。

礦井提升機(jī)振動信號無線通信選擇ZigBee 及雙向多跳轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議遵循IEEE 802.15.4-2003 標(biāo)準(zhǔn)，支持無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信組建、初始化、節(jié)點(diǎn)加入和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。提升機(jī)振動監(jiān)測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、處理振動樣本， ZigBee 節(jié)點(diǎn)配置系統(tǒng)響應(yīng)和發(fā)射功能，可接收和響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)送的控制指令，并能將嵌入式主控制器處理的振動信息反饋回監(jiān)控中心。監(jiān)監(jiān)控中心路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、無線收發(fā)數(shù)據(jù)和信號，ZigBee 多跳通信借助分散布置的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，接收振動節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號，便于及時維護(hù)和管理提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

2.提升機(jī)天輪狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

提升機(jī)天輪設(shè)備運(yùn)行時的振動情況能很好的反映出設(shè)備健康狀況。因此采用設(shè)備振動數(shù)據(jù)分析的方法來判斷設(shè)備健康與否。所選用的振動傳感器為單軸傳感器，在某些部分需要二軸或三軸振動監(jiān)測，圖 3-2 為系統(tǒng)選擇的三軸振動方向，X、Y、Z 軸方向相互垂直。

圖3 振動的三個方向

綜合考慮各因素，本系統(tǒng)選用的礦用 GB20 振動傳感器，傳感器體積較小，現(xiàn)場方便安裝且精度比較高，可以長時間工作于惡劣環(huán)境下。圖 4 為其工作原理。

圖4 壓電式振動傳感器工作原理

考慮到提升機(jī)系統(tǒng)天輪的特殊環(huán)境，一般的振動溫度傳感器其電源線和信號傳輸線都會暴露在外部環(huán)境下，且傳輸距離比較遠(yuǎn)，線路容易出現(xiàn)損壞且不宜維修和日常的檢查維護(hù)。為滿足環(huán)境特殊要求，天輪監(jiān)測所采用無線振動傳感器，如圖 5所示。

圖5 無線振動傳感器

無線傳感器通過無線基站將數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，傳輸信號穩(wěn)定。

（二）數(shù)據(jù)存儲

多個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后要傳輸?shù)缴蠈哟鎯Φ綌?shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)中配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器（MySQL），數(shù)據(jù)存儲為方式為配置式，即現(xiàn)場人員可以根據(jù)需求對PLC內(nèi)數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由選擇存儲，并對變量的掃描周期、存儲周期進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)將作為大數(shù)據(jù)分析及其他功能的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。系統(tǒng)采集和存儲的數(shù)據(jù)包括但不限于：

1）提升運(yùn)動學(xué)參數(shù)，主要包括：提升位置高度、速度（控制環(huán)節(jié)速度給定，變頻系統(tǒng)變頻大小，運(yùn)行速度等）。

2）提升動力學(xué)參數(shù)，主要包括：運(yùn)動設(shè)備的靜態(tài)質(zhì)量力及變位質(zhì)量、電機(jī)驅(qū)動電流、提升各階段加減速度等。

3）提升機(jī)機(jī)械振動參數(shù)，主要包括：主軸軸承基座振動、電機(jī)（減速機(jī)）振動、提升井架振動等。

4）提升機(jī)控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)參數(shù)，主要包括：提升控制速度電流雙閉環(huán)控制器的比例、積分、微分等參數(shù)。

5）控制系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)，包括：現(xiàn)有PLC中處理后產(chǎn)生的報警異常、故障信息、變頻驅(qū)動控制部分處理后產(chǎn)生的報警、故障信息。

6）控制系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)輸出包括：提升機(jī)系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電能質(zhì)量及能耗、應(yīng)急電源供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、裝卸載系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。

（三）數(shù)據(jù)分析

礦井提升系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)首先要進(jìn)行實(shí)時在線分析，對提升安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。同時，上傳數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器以備提升機(jī)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息的深度挖掘分析，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)狀態(tài)異常報警、故障根源分析、設(shè)備生命周期管理等，提高提升安全運(yùn)行及檢修的高效管理。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面

監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)主要針對提升運(yùn)行單元、驅(qū)動控制單元、制動系統(tǒng)單元、提升供電單元、提升井架單元等，針對每個單元模塊主要進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)分析、多參數(shù)數(shù)據(jù)協(xié)同分析、測試與報表功能；歷史數(shù)據(jù)趨勢分析、故障根源追溯分析、參數(shù)趨勢預(yù)測預(yù)警功能。

1.實(shí)時數(shù)據(jù)分析

（1）實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)可以實(shí)時顯示所監(jiān)測提升系統(tǒng)所有參數(shù)，并以曲線、柱狀圖和圖表的形式展示給用戶。如圖7所示顯示提升系統(tǒng)速度圖和受力圖。同樣通過對上述參數(shù)實(shí)時監(jiān)測提升機(jī)單一變量的數(shù)值分析方法，對提升機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)分析，采用閾值超限、數(shù)據(jù)突變、數(shù)據(jù)異常等基本診斷方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高狀態(tài)變量異常的識別能力。如圖8所示，以實(shí)時監(jiān)測電流曲線為例，在速度不變的階段，電機(jī)驅(qū)動電流出現(xiàn)突變。提升系統(tǒng)不正常運(yùn)行引起電流突變。

圖7 提升系統(tǒng)速度受力圖

圖8 異常信息在線監(jiān)測

（2）多參數(shù)數(shù)據(jù)協(xié)同分析功能。由于礦井提升系統(tǒng)的復(fù)雜性和每個模塊功能限制性，在系統(tǒng)實(shí)際使用中對一些特殊情況做出反應(yīng)滯后甚至出現(xiàn)誤報、漏報和盲區(qū)?；谔嵘到y(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，運(yùn)用基于數(shù)據(jù)的建模與分析方法，并與異常預(yù)警、故障診斷技術(shù)結(jié)合，建立提升機(jī)設(shè)備多變量協(xié)同分析系統(tǒng)。對礦山提升系統(tǒng)多參數(shù)協(xié)同分析主要從提升機(jī)、電動機(jī)、變壓器、天輪等主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。通過變量的關(guān)聯(lián)性分析，得出變量的變化區(qū)域，可以根據(jù)變量的變化趨勢，給出預(yù)警，例如：同一載荷下電流變化趨勢異常，主要相關(guān)可能原因有：載荷不準(zhǔn)確、尾繩變化、罐道垂直度變化、變頻器變化、電動機(jī)變化等。通過關(guān)聯(lián)變量的變化分析，給出更準(zhǔn)確的預(yù)警信息。

同理，可以對同一運(yùn)行條件下，軸承溫度異常、電動機(jī)溫度異常、變壓器溫度異常等進(jìn)行關(guān)聯(lián)變量參數(shù)的協(xié)同分析，以提高狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警的準(zhǔn)確性。

圖9 多變量監(jiān)測信息協(xié)同分析

另外，現(xiàn)場人員可以根據(jù)分析需要，把相關(guān)數(shù)據(jù)布置在同一界面進(jìn)行分析查看。系統(tǒng)將有效的彌補(bǔ)提升系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的盲區(qū)，減少事故發(fā)生率，提升設(shè)備利用率，保障工作人員及設(shè)備的安全。

（3）測試功能。提升機(jī)作為礦山行業(yè)最重要的設(shè)備之一，定期的安全測試功能必不可少。用戶可以通過系統(tǒng)中簡單的配置，記錄設(shè)備一段時間（測試期間）的狀態(tài)，自動生成報表及分析結(jié)果提供給用戶。

（4）報表功能。用戶可以自由定義并配置相應(yīng)的報表（實(shí)時數(shù)據(jù)通過拖拽等方式與報表產(chǎn)生聯(lián)系）。并按照定義的時間周期產(chǎn)生生產(chǎn)報表，操作日志等。

2.歷史數(shù)據(jù)分析

（1）干擾報警消除。針對煤礦工業(yè)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立狀態(tài)變化模型，綜合歷史數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)，設(shè)計狀態(tài)異常識別算法。針對監(jiān)控系統(tǒng)干擾報警信息消除，采用非參數(shù)化智能算法，設(shè)計合適的報警延遲器、報警死區(qū)等方案，實(shí)現(xiàn)干擾報警消除，提高系統(tǒng)異常工況的識別效率。報警系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方案流程圖如下：

圖10 提升機(jī)監(jiān)控報警優(yōu)化

通過分析監(jiān)控變量單調(diào)到達(dá)報警閾值的概率分布等規(guī)律性信息，設(shè)計報警閾值、報警延遲器、死區(qū)參數(shù)的優(yōu)化方法，提高報警信息的準(zhǔn)確性。如下圖所示。

圖11.1 監(jiān)控變量單調(diào)到達(dá)報警閾值的概率分布

圖11.2 偏離報警閾值和報警持續(xù)時間的相對關(guān)系

圖11 報警系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計分析

（2）趨勢預(yù)測。采用時間序列分析、分段線性表達(dá)數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)算法等，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢進(jìn)行分析，提前預(yù)測設(shè)備異常的可能性，并告知用戶，減少設(shè)備故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

圖12 基于歷史數(shù)據(jù)的趨勢分析

圖13 模型參數(shù)在正常與異常狀況下的變化速率

（3）故障根源分析。通過對設(shè)備故障狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)分析、總結(jié)，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)算法，對設(shè)備同等規(guī)律狀態(tài)提前預(yù)警提示。主要是通過挖掘歷史數(shù)據(jù)的信息，建立故障歷史記錄數(shù)據(jù)庫，在分析當(dāng)前異?；蚬收舷嚓P(guān)多變量的數(shù)據(jù)變化趨勢基礎(chǔ)上，查找故障歷史記錄數(shù)據(jù)庫中的類似情況，通過進(jìn)行異?；蚬收涎莼A(yù)測，在故障概率模型的基礎(chǔ)上給出當(dāng)前故障根源，實(shí)現(xiàn)對根源的分析與判斷。

圖14 基于增減方向異常根源分析方法

例如：提升機(jī)電動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測關(guān)聯(lián)變量有進(jìn)線電壓、電樞電流、載重、溫度等。建立基于電壓、電流、載重、溫度變化的關(guān)聯(lián)變量分析模型。對于電動機(jī)的異常報警可以四個變量的變化關(guān)系進(jìn)行根源分析查找。首先，建立電動機(jī)異常報警數(shù)據(jù)庫，將相似數(shù)據(jù)段查找算法和皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算相結(jié)合，通過計算在主變量趨勢變化明顯時各變量與主變量的相關(guān)度，篩選出與主變量相關(guān)性高的關(guān)聯(lián)變量，排除無關(guān)變量的影響；然后對在報警時刻發(fā)生變化的關(guān)聯(lián)變量和主變量之間建立多元回歸模型，通過計算各關(guān)聯(lián)變量對主變量的影響度，得到各報警根源及其所占的比重，最終形成電動機(jī)歷史報警數(shù)據(jù)信息庫。

在對當(dāng)前報警數(shù)據(jù)段分析中，基于相似數(shù)據(jù)段查找的算法，把當(dāng)前報警數(shù)據(jù)段與歷史報警進(jìn)行對比，通過歷史經(jīng)驗(yàn)來對當(dāng)前報警進(jìn)行分析處理?；诳焖龠M(jìn)行相似數(shù)據(jù)段查找的Matrix Profile 算法，來對當(dāng)前報警數(shù)據(jù)進(jìn)行相似性查找，以達(dá)到快速且準(zhǔn)確的完成報警根源分析的目的。

（四）全生命周期管理

本系統(tǒng)將提供設(shè)備的全生命周期管理服務(wù)。該服務(wù)將通過實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫對設(shè)備的身份信息、運(yùn)行狀況、故障等進(jìn)行統(tǒng)計，分析設(shè)備生命周期變化狀況，為設(shè)備更換、安裝、備件庫存情況等信息進(jìn)行全方位的管理。用戶可以通過該服務(wù)實(shí)現(xiàn)原件的身份信息查詢，狀態(tài)查詢，備件查詢，更換提醒，維護(hù)提醒，更換記錄，成本預(yù)算管理等功能。該模塊還可以通過對同等功能不同品牌的原件使用情況（包括使用壽命，成本等）進(jìn)行分析，給出更好更合理的品牌型號推薦。

1.數(shù)字模型建立

根據(jù)國家和國際標(biāo)準(zhǔn)（GB/Z 32235-2015/IEC/TR 62794:2012，工業(yè)過程測量、控制和自動化生產(chǎn)設(shè)施表示用參考模型（數(shù)字工廠）為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立提升機(jī)的數(shù)字工廠模型，完成設(shè)備的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

電氣自動化資產(chǎn)的特性將根據(jù)IEC 61360 數(shù)據(jù)庫（IEC組件數(shù)據(jù)字典）描述。這些特性將基于IEC 61360-1和 IEC 61360-2的數(shù)據(jù)模型（等同于ISO 13584-42中的數(shù)據(jù)模型），IEC 61987中定義了過程控制相關(guān)的控制元件的數(shù)據(jù)模型。

IEC 62683中定義了控制柜內(nèi)元件的數(shù)據(jù)模型，但I(xiàn)EC 62683中的數(shù)據(jù)規(guī)范還在進(jìn)行中，未完全完成定義。為此，本項(xiàng)目將自定義還未規(guī)范的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。下圖為其中的一個傳感器的數(shù)據(jù)定義：

2.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化及管理

在項(xiàng)目建設(shè)初期通過對現(xiàn)有的圖紙及程序進(jìn)行分析，最大化向數(shù)字工廠錄入與當(dāng)前設(shè)備一致的原始數(shù)據(jù)。該過程將通過自主研發(fā)的Web接口管理系統(tǒng)完成。該管理功能使非開發(fā)人員友好的對系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加，修改，查詢，刪除等工作。設(shè)備元器件的輸入為自由配置式，既系統(tǒng)到元器件可以配置為最多四級，例如控制系統(tǒng)PLC，配置方式為：工藝控制系統(tǒng) - +G51柜 – PLC。每個元器件的屬性也為配置式，如PLC，包含品牌、型號、更換日期、更換人、配件數(shù)量等。另外，電氣元件的更換及維護(hù)記錄也將通過該管理界面進(jìn)行記錄管理。項(xiàng)目完成后，現(xiàn)場人員在某些情況下（更換元器件后）也會對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加，更改，刪除等工作。管理功能界面如下：

3.數(shù)字工廠連接映射

將記錄在數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過拖拽或選擇的形式，與現(xiàn)場設(shè)備一對一的進(jìn)行連接映射。該功能的結(jié)構(gòu)將按照現(xiàn)場控制柜的實(shí)際情況按照分類進(jìn)行管理，下圖為一個典型的實(shí)例。

同時，用戶可以通過配置每個元器件的在線變量地址實(shí)時的映射現(xiàn)場真實(shí)的設(shè)備。要選擇的變量都會在OPC管理中被列出，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。