自己整理的矿井提升机故障诊断资料

博士学位论文 语义环境下的矿井提升机故障诊断研究 1 课题研究的背景和意义 矿井提升机是煤矿生产过程中集机 电 液于一体的大型机电设备 它担负着提升煤 炭和矸石 下放材料 升降人员和设备的任务 是连接井上 井下的唯一通道 是煤矿生 产的 咽喉 其运行的安全可靠状况 直接影响矿山生产人员的生命安全和矿井生产能力 1 自 20 世纪 90 年代以来 我国矿山工业逐步开始引进数字控制提升机系统 数字提 升机不但提高了生产效率 而且增强了提升系统的安全性和可靠性 但数字提升机的控制 系统涉及自动控制 电力驱动 电力电子 计算机控制 网络及通讯 供电 检测和液压 控制等技术领域 设备组成和结构越来越复杂 功能愈来愈多 各部分的关联变得越来越 密切 性能指标变得越来越高 同时对设备管理与维修人员的素质要求也越来越高 已成 为目前矿山中技术最先进 最复杂的系统 数字化提升机一方面满足了矿山提高生产率 降低成本和改善工人的劳动条件的要求 节约了能源 精简了人员 但另一方面由于数字 提升机系统的物理和逻辑复杂性 也潜伏着一个危机 即一旦发生故障 很难高效快捷地 确定故障原因和故障位置 从而所造成的直接 间接损失也将十分严重 历年来国家对矿 井提升机的维护和安全问题极为重视 对矿井提升设备的安全性提出了极严格的要求 煤 矿安全规程 和 煤矿机电设备完好标准 对此都做出了明确规定 2 要求对运转使用的 提升机定期进行技术测试 即实行比设备固有寿命短得多的定期小修 中修 大修 但由 于故障的随机性与维修时间的确定性存在矛盾 因而不少故障不可能通过细而密的定期维 修得到解决 相反会因频繁的拆装出现更多故障 3 因而提高对矿山提升机的监测监控能 力以及故障检测诊断水平 如何在故障发出之前进行预防 避免重大事故的发生 以及事 故发生之后如何快速查找故障 减少事故危害程度 对矿井的生产及安全起着重要的作用 成为矿山安全生产中越来越突出的问题 因此 对数字化提升设备运行状态各种单元的检 测和故障诊断技术提出了更高的要求 虽然近些年国内外针对故障诊断技术已开展了一定的研究 4 5 但目前提升机故障诊 断方法主要是采用传统的专家诊断系统与现场技术工作者的人工判断相结合的方式 由于 该方法自身的固有缺点 1 6 首先 专家知识获取的局限性和专家知识表达方法有相当大 的难度造成了诊断知识库的不完备 其次 传统专家系统的知识推理的不确定性 不仅推 理方法简单 控制策略不灵活 易出现 匹配冲突 组合爆炸 及 无穷递归 等问题 且推理速度慢 效率低 再则 系统缺乏自学习和自我完善能力 求解能力完全局限于知 识库中仅有的规则 系统不能在实例中自我完善 所以 一旦发生推理出错 很难得出故 障发生的具体原因和位置 另外由于从事设备故障诊断的技术人员多数集中在学术界 而 企业特别是在矿山中 经验丰富的技术人员十分缺少 加上地域以及企业之间的相互限制 使得学术界与矿山企业接合不紧密 科研人员与工矿企业无法在时间上和地理上紧密合作 造成了信息上的堵塞和滞后 所以 有计划 有针对性地对提升机结构组成及其故障知识 结构进行分析 整理故障之间的关联性 研究设计智能故障诊断技术和方法 做到尽早地 发现提升机在运行过程中的各种隐患 提高故障检测和维护效率 成为目前煤矿提升机故 障诊断系统面临和亟待解决的首要问题 近 10 多年来人工智能技术特别是知识工程方法发展迅速 领域专家知识得到充分地 重视 故障诊断问题中基于信号处理和解析模型的故障诊断方法正发展为基于知识工程的 故障诊断方法 在知识层面上 着力于辩证逻辑与数理逻辑的集成 符号处理与数值处理 的统一 推理过程与算法过程的统一以及知识库与数据库的交互等 1 本文就是充分考虑数字化提升机自身结构和运行特点 从数字化提升机系统物理结构 和逻辑组成出发 深入分析提升机故障现象和故障原因的传播机理 融合语义知识和本体 技术 对提升机系统单元及其故障领域知识进行建模 以及对提升机故障诊断知识及其关 联的概念 属性和实例进行语义描述 构建矿井提升机故障语义知识推理系统 从而解决 语义环境下提升机故障知识的分析 转换和处理等关键问题 从而提高矿井提升机故障诊 断的效率 2 课题国内外研究现状 1 故障诊断方法概述 故障诊断技术是一门集数学 电子技术 计算机技术 测试技术 信息处理 模式识 别和人工智能等快速发展的交叉学科 6 故障诊断主要研究如何对系统中出现的故障进行 检测 分离和辨识 即判断故障是否发生 定位故障发生的部位和种类 以及确定故障的 大小和发生的时间等 目前对于工业生产中故障诊断技术研究和应用虽然己有三十多年的发展历史 但是故 障诊断学作为一门综合性的新学科 则是近些年发展起来的 经过大量的研究 它得到了 极大的丰富和发展 对于故障诊断技术和方法的分类从不同的角度 有不同的故障诊断分 类方法 5 按国际故障诊断权威 德国的 P M Frank 教授观点 4 故障诊断方法可以划 分为基于数学模型的方法 基于信号处理的方法和基于人工智能的方法 每类方法又包含 若干具体的诊断方法如图 1 1 所示 基于数学模型的故障诊断方法 是在知道诊断对象数学模型的基础上 按一定的数学 方法对被测信息进行处理 诊断 它可分为基于状态估计法 参数估计法和等价空间法 7 9 基于信号处理的故障诊断方法是利用信号处理 如相关函数 频谱 自回归滑动平均 等方法 10 13 直接分析可测信号 提取如方差 幅值 频率等特征 从而进行故障检测 而基于人工智能的方法不需要精确的数学模型 能模仿专家分析问题的思路 能够解释自 己的推理过程 解释结论是如何获取的 其中包括专家系统故障诊断法 人工神经网故障 诊断方法 模糊故障诊断方法 基于案例推理的故障诊断方法和基于数据融合的诊断方法 等等 当前该方法无论在理论还是在工程上应用都很广泛 因此 人工智能的方法是故障 诊断领域中最引人注目的发展方向之一 具有很好的应用前景 14 20 2 矿井提升机故障诊断技术研究现状 由于矿山提升机故障诊断既要注重理论 又注重实际应用 是矿山设备自动化发展过 程中的重要课题之一 国内外科技工作者进行了大量的研究工作 目前国内外针矿井提升 机故障诊断技术方面的研究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 a 基于解析模型的方法 文献 21 22 中应用摩擦学 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 文献 23 将有限元模态计算与模态分析相结合 利用 ANSYS 对提 升机主轴装置进行模态分析 计算了前 15 阶模态振型和固有频率 结果反映了提升 机主轴在实际工矿下的振动情况 文献 24 通过对某矿井提升机主轴的断裂事故的分 析 建立了主轴表面裂纹的力学模型 探讨了主轴表面裂纹的断裂情况 导出了主轴 断裂时的断裂条件以及裂纹扩展时极限尺寸的计算公式 文献 25 将先进的参数化思 想运用于提升机主轴的设计中 利用 Pro E 与 ANSYS 接口技术和 ANSYS 软件 对提升机主轴在一定载荷作用下的应力 应变状态进行有限元分析 该研究方法将有 效缩短设计开发周期 并有效降低成本 对提升机主轴的模型库开发 改进和优化设 计具有一定的参考价值 b 基于信号处理的方法 文献 26 研究小波包分析的频带频率特性和频带能量泄漏的基 本规律 提出提升机钢丝绳摩擦频带能量泄漏的识别方法和信号特征提取方法 文献 27 利用小波信号重构与最大熵谱估计对矿井提升机进行了故障诊断 结果表明该方 法具有较高的故障分辨率 能够在频域上更加合理地判断故障信号 从而正确地判断 矿井提升机减速箱的早期故障 文献 28 研究小波包分析的频带频率特性 指出存在 频带能量泄漏问题 揭示小波包分析频带能量泄漏的基本规律 提出频带能量泄漏的 识别方法和信号特征提取方法 该方法可以排除频带能量泄漏影响 减少特征向量个 数 降低分析复杂度 文献 29 将小波信号重构与 Hilbert Huang 变换相结合应用于矿 井提升机振动故障分析中 结果表明采用该自适应信号处理方法 可获得故障振动信 号发生的时间和故障发生的周期 定量刻画故障的频率 时间与幅值的分布 从而能 够有效识别故障类型 文献 30 采用小波网络方法 通过对矿井提升机钢丝绳磨损度 空动时间 衬垫磨损寿命 闸瓦间隙 残压和制动盘偏摆度等关键特征参数的时间序 列预测 c 基于知识的方法 文献 31 根据提升机运行故障特征参数多 诊断复杂的特点 提出 一种将神经网络和专家系统相融合的诊断方法 并采用深度优先搜索 正反向混和推 理策略 该方法对提升机故障深 浅知识结合领域作出了一定的探索 文献 32 以提 升机滑动事件为背景 运用基于专家系统的故障诊断方法 建立了提升机滑动故障专 家知识库 并将该系统运用于 KJ46 提升机状态监护系统 文献 33 通过故障现象分 析 对矿井提升机专家系统的结构 知识库的建立和故障推理机制的实现进行了研究 给出了故障模型 以及故障知识的表达方式 文献 34 根据矿井提升机制动系统的工 况特点 设计了基于故障树的故障诊断专家系统 其中重点研究了专家系统的知识库 构成及推理机制 将故障树引入专家系统 通过运用故障树分析法对所建的故障树进 行定性分析 再根据简化了的故障树建立专家系统知识库 其中推理机采用 Rote 匹 配算法来提高推理效率 文献 35 在总结了国内外提升机智能故障诊断研究现状的基 础上 提出了由专家系统 模糊理论和人工神经网络等人工智能技术组成的组合式智 能诊断新方法 文献 36 提出了基于 CSCW 的提升机结构模型 并就多 Agent 故障 诊断进行了讨论 文献 37 将模糊理论和模糊推理方法运用于矿井提升机的故障诊断 过程中 有效的解决了由于设备系统知识的模糊性所引起的不确定性问题 文献 38 针对提升机制动系统中常见的卡缸故障 利用支持向量机 SVM 这一新的机器学习方 法进行智能诊断 此外文献 40 43 使用小波分析和人工智能算法相结合的方法对提升 机相关组成系统进行了故障诊断分析和测试 3 发展趋势 故障诊断技术研究目的是为了提高故障诊断的精度 降低误报率和漏报率 准确 确定故障产生的原因 并估计出故障发展趋势 围绕这些目的 随着近十多年来人工 智能技术的迅速发展 特别是知识工程 模糊逻辑和智能计算方法在故障诊断领域中 的应用 使人们对智能故障诊断问题进行更加深入与系统地研究 形成了一系列研究 热点 也取得了一系列研究成果 目前和今后的主要研究可归纳为以下几个方面 44 45 a 多种故障知识描述方法的融合 在一个实际的故障诊断系统中 往往需要多种系统及其故障描述方式的组合才能 清楚地表达故障知识 其关键问题是多种故障描述方式之间的知识传递 知识转换和 知识组织的维护与理解等工作 这些问题决定了对故障诊断对象的描述与表达方式 近几年基于本体的语义知识表示方法成为在知识工程研究过程中的一个热点 本体是 对研究领域对象本质的抽象 其强调对象间的关联 并通过概念 属性 关系和公理 等多种知识元素将这些关联表达和反映出来 从而实现故障诊断分析中知识的共享和 复用 所以将本体技术引入故障诊断领域 通过详细说明诊断对象中涵盖的概念 实 例 关系和公理等实体 以此建立故障知识本体 达到解决故障专家知识复用中的一 些问题 从而有效地促进来自不同领域的研究人员和组织间的交流 提高故障诊断的 效率也是本课题需要着重研究的主要内容 b 自适应故障知识更新方法 现场故障诊断专家的诊断经验是通过不断的学习和积累获得的 计算机模拟专家 经验的故障诊断模型的诊断能力主要依赖于对故障诊断对象相关知识的获取 分析和 表达 但在实际故障诊断研究中 由于故障知识获取的不完善 导致所构建的故障诊 断知识库不完备 诊断系统在运行过程中又容易受到外界环境和设备单元损耗等影响 而发生改变 当新故障现象出现时 在知识库中找不到最佳匹配 就容易发生漏诊或 误诊 严重影响诊断结果的可靠性 从故障诊断技术的发展来看 故障诊断知识库如 果具有一定的自适应知识更新能力 自身能够不断学习和完善 就能有效地适应求解 环境和问题特征的动态变化 c 交互式故障诊断策略研究 现有故障诊断知识模型或故障诊断技术还没有真正实现专家知识的交互式模式 而且现有的绝大多数故障诊断策略只能在某些事先设计好 固化好的组合关系下进行 多领域故障知识的静态组成 没有实现交互式的知识复用 从而不能适应故障诊断对 象环境和问题特征的动态变化 如何针对不同故障诊断策略的特点 采用多种故障诊 断知识描述方法 研究出能够更好模拟现场专家诊断思维的交互式故障诊断策略 对 实现智能故障诊断系统的深入发展是非常关键的 同时针对故障诊断知识系统存在冲 突和矛盾的问题 在进行交互式智能故障诊断策略过程中 需要充分考虑诊断过程中 的冲突检测问题 d 基于互联网的远程故障诊断技术研究 随着互联网技术的发展和广泛应用 使得基于互联网的远程应用系统成为可能 将故障诊断系统与互联网技术相结合不但能够获取大量的故障案例与诊断经验 同时 能够共享故障知识诊断资源 实现专家异地会诊 提高故障诊断水平 4 课题研究的主要思路和内容 通过对矿山提升机系统的现状和以往提升机故障诊断方法的比较 可以看出基于知识 工程的提升机故障诊断研究中主要有四个关键问题 1 提升机及其故障知识的构成 2 提升机故障知识建模方法 3 提升机故障知识模型中故障知识的表示和组织方式 4 提升机故障知识的推理方法 本文主要针对矿井提升机系统 融合语义知识 详见下载的资料有全面的解释 和本 体技术 详见下载的资料有全面的解释 对其故障领域知识进行建模 构建该故障诊断领 域本体原型 通过本体方法对提升机故障诊断及其关联的概念 属性和实例进行描述 解 决其中专家知识分析 转换和处理等关键问题 完成语义环境下的矿井提升机故障知识表 示和推理 从而弥补传统诊断技术的不足 故主要研究内容包括 1 分析矿井提升机系统结构和故障知识特点 整理和收集与系统故障相关的概念 关系 属性和实例 研究提升机故障传播机理 态势发展 为构建提升机故障诊断知识模 型做好准备 2 分析语义环境下的提升机故障知识组织结构 构建基于本体方法的提升机故障语 义知识库框架 并对其中的系统组成和关键技术问题进行详细的说明 3 基于语义描述的提升机故障诊断知识本体框架 建立语义环境下的提升机及其故 障知识的描述体系 并对该故障语义知识进行形式化定义 以达到有效组织和表达提升机 故障诊断相关知识的目的 4 分析提升机故障语义知识库中诊断规则的获取和更新问题 应用粗集理论及属性 约简方法 改进故障规则获取与更新算法 增强提升机故障语义知识库中故障规则自我完 善的能力 5 针对传统的故障诊断专家系统中模糊推理方法的不足 结合提升机故障语义知识 库中知识组织结构的特点 提出基于语义相似度的模糊推理方法 完成故障征兆和故障规 则前件的匹配 实现语义环境下的提升机故障诊断推理 5 矿井提升机系统分类 根据矿井产量需求 服务对象 投资需求和当时技术发展水平不同 所设计的提升机系 统的机械组成及其控制方式有所不同 有以下几种不同的分类方式 45 1 按结构和传动方式可分为缠绕式和摩擦式两种 缠绕式的主要工作机械式滚筒 有 单滚筒和双滚筒 圆柱形和圆锥形之分 摩擦式分为单绳 Koepe 式和多绳滚筒式 常用的 是单绳缠绕式和多绳摩擦式两种 因为多绳提升机采用有尾绳提升系统 静负载基本保持 不变 故称为平衡提升系统 目前我国大部分矿井大部分采用该类系统 2 按提升容器的种类分为箕斗提升设备和罐笼提升设备 箕斗提升设备用于主井提升 因其具有装卸速度快 生产效率高等特点被普遍采纳 罐笼提升设备主要用于副井提升 用于上下人员 材料 设备和矸石等 3 按井筒的角度分为立井提升和斜井提升 立井提升机在井中做上下往复运动 具有 位势负载性质 斜井提升机采用矿车或箕斗作为提升容器 具有安全可靠 运输量大等优 点 4 按电气控制系统中调速方式的不同分为交流调速提升机和直流调速提升机调速两大 类 在电气控制系统中信号处理元件不同又可分为开关 模拟调节 继电器控制 电气控 制系统和全数字化矿井提升机控制系统 6 提升机故障分类 矿井提升机的故障和事故形式是多样化的 引起这些故障和事故的原因更是不同 了 解和掌握矿井提升机系统的故障分类 才能为故障知识的表示 获取及诊断推理的正确选 取提供理论根据 以下为几个分类方式 46 47 1 按照提升机所产生的事故严重程度以及故障处理的快速性要求 提升机故障可以分为以 下四类 报警类故障 电气制动类故障 终端类故障和紧急类故障 1 报警类故障是指提升系统中出现的某些故障危害程度比较轻微 它们并不会立即危害 到提升系统的正常运行 因而不需要立即中断正在进行的提升过程 如整流主变压器高温 报警 滚筒主轴承高温报警等 报警类故障仅发出声光报警 告知操作人员故障信息 以 选择适当时机处理 系统设计通常处理是 按下操作台上的声音报警消除按钮后 可解除 声响 原闪亮的报警指示灯会变为恒亮 当故障排除后 按下复位按钮 故障指示灯才会 熄灭 2 电气制动类故障是指提升机某些故障发生后 在高速运转时会危及到提升系统的正常 工作 但在低速运转时不会马上造成严重的后果 如减速开关失效 液压站蓄能器充氮压 力太低 制动闸盘温度过高等 这时系统将首先以设定的减速度电气减速到爬行速度 然 后紧急停车 3 终端类故障是指当发生此类紧停故障时 不会马上造成系统的重大损失 可以完成当 前的提升过程 但在停车后 必须排除故障 如整流变压器过温故障 主轴承过温故障 制动闸盘温度过高等故障 4 紧急类故障是指当发生此类紧停故障时 提升系统必须立即停车 否则可能给整个提 升系统造成巨大损失 如超速故障 过卷故障 高压开关故障 尾绳故障 调节柜故障等 2 从故障点来源于提升机系统各系统位置来区分 故障可以分为机械类故障 电气系统故 障和及提升机系统故障三大类 46 凡是提升机系统或设备因机械器件损坏或机械状态 机械参数出现偏差异常所引起的设备或系统不能正常工作称为机械类故障 在完善的自动 化系统中 机械类故障能够较大限度地由电气控制系统检测出来 从而做出相应的反应 凡是由电气元器件损坏或电气状态 参数出现偏差异常所引起的设备或系统不能正常工作 称为电气类故障 电气类故障是由系统自身检测出来 并做出相应的反应 1 机械故障按照不同的机械设备又可分为主传动机构系统故障 液压与制动系统故障 润滑系统故障 装 卸载系统故障 井筒运转设备故障 导向轮故障 稳罐装置故障等几 部分 主传动机构故障主要包括主电机故障 主轴装置和主轴承故障 主卷筒故障 减 速器故障等 主电机故障有超温类故障 包括线包超温和导电带接头超温 主轴装置和主 轴承故障包括轴承温度故障和轴承震动故障等 液压与制动系统故障包括盘型闸故障和液压站故障 盘型闸故障包括闸压力低 闸盘闸偏摆 闸误动作等 液压站故障包括 压力方面的 如工作油压过高 残压高液压 工作油压力低 液压油监视方面的 如油温高 液压油位低 冷却装置不工作 液压泵电 机方面的 如 电机过流 电机过载等 润滑系统故障包括润滑泵电机过流 电机过载 润滑油路堵 润滑油压过高 润 滑油压低等 装 卸载系统故障包括装载系统故障 装载系统故障包括计量斗过满 计量斗风 缸误动作 计量斗风缸闭锁 给煤机 刮板运输机电机过电流 给煤机 刮板运输机闭锁 等 卸载系统故障包括卸载站风缸误动作 卸载站风缸误闭锁 卸载站站急停等 井筒运行设备故障包括主提升绳故障 主提升绳故障包括主提升绳松紧不均 主 提升绳打滑 主提升绳抖动等 尾绳故障包括尾绳扭结 尾绳抖包括动等 箕斗故障包括 箕斗变形 箕斗运行中溜煤口张开等 稳罐装置故障包括罐道绳张力不均 罐道绳松 罐道绳锈损等 导向轮故障包括导向轮轴承超温 导向轮偏摆 导向轮轴承超温震动等 详细如图 2 2 所示 2 电气类故障按照电气系统组成来划分可分为高压系统故障 直流回路故障 调 节整流系统故障 低压电源系统故障 PLC 系统控制系统 操作监视系统故障 信号系统 故障等 高压系统故障包括高压开关故障 整流变压器和辅助电源变压器故障 高压开关 故障包括过流 短路 缺相 欠压 接地等故障 这些故障均由高压柜内的保护继电器将 向电控系统输出的 整流变压器和辅助电源变压器故障包括整流变压器和辅助电源变压器 过电流故障 整流变压器和辅助电源变压器温度监视故障 如变压器温度报警 变压器温 度高故障和变压器温度过高故障 直流回路系统故障包括主电机电气故障 主电机冷却系统 直流快开故障 主电 机电气故障包括主电机电枢过电流故障 主电机励磁过电流或失磁故障 主电机冷却系统 故障包括冷却风压低故障 冷却风机停 冷却风机电机过负荷等 直流快开故障包括直流 快开断 直流快开过电流 调节整流系统故障包括柜风扇故障 晶闸管温度保护 变流器主电源欠压保护 变流器交流侧对地绝缘监视 变流器同步电源监视 变流柜温度监视 电枢或励磁过流监 视 电枢或励磁过压监视 变流器快熔熔断监视 交流侧过电压抑制回路快熔监视 电枢 回路对地绝缘监视 励磁回路对地绝缘监视 无电枢电流反馈监视 变流器控制电源对地 绝缘监视 变流器控制电源欠压监视和快开跳闸监视等故障 PLC 柜故障包括 PLC 硬件系统故障 软件系统故障以及安全回路故障 PLC 硬 件系统故障又包括电源模块故障 模块电源故障和模块系统故障 软件系统故障包括硬件 组态故障和用户程序故障 提升电气控制系统必须设计为冗余控制 即有两套安全保护系 统互相备用 这两套安全保护系统分别综合各系统的故障信息后经过逻辑运算统一输出到 安全回路 低压电源系统故障 主要包括供给低压电源柜的总电源 以及由低压电源柜输出 的分支电源出现故障 如低压开关断 低压电源过电流 低压电源接地等 操作监视系统故障 主要包括操作监视系统故障和上位机故障 操作监视系统故 障包括司机台急停按钮 司机操作错误等故障 信号系统故障 包括装载信号分站故障 卸载信号分站故障 提升机司机台信号 分站故障及一些信号终端箱故障等 这些故障又分别包含信号急停故障 信号闭锁故障 和通讯故障 提升信号系统中出现的急停故障是指各分站 终端箱 的急停按钮按下故障 信号系统所涉及的信号繁多且分散 各信号分站 终端箱 之间必须具有一定的闭锁关系 只有在这些信号闭锁关系完全正确时 才能启动提升机运行 这类故障称为信号闭锁故障 通讯故障是指各信号分站 终端箱 与提升机 PLC 系统控制系统之间以通讯方式联系的 在通讯过程中出现的故障叫通讯故障 详细如图 2 3 所示 3 提升机系统故障是指提升机系统本身因运行状态 参数异常或外界条件改变发 生的故障 这类故障包括行程监视类故障 速度监视故障 位置监视与同步校正故障 行程监视类故障 行程类故障主要是指对提升机电气控制系统对提升容器 如箕 斗 进行全程监视过程中产生的故障 比如包括过卷故障 其中过卷故障是控制系统从行 程运算和井筒实际位置两个方面监视提升容器是否超过其过卷位置 从行程运算上产生的 过卷故障叫软过卷故障 从井筒实际位置 井筒过卷开关 产生的过卷故障叫井筒过卷故 障 速度监视故障 在提升机系统整个运行过程中对提升机在各个运行阶段的速度进 行监视 所产生的故障叫速度监视故障 方法是通过检测实际速度是否超过给定速度的 15 根据运行的不同阶段又分为等速段超速故障 减速段过速故障和爬行段过速故障等 减速监视故障是对提升机运行到减速段时是否减速或减速值是否下降到设定值进 行监视 有减速点监视故障 减速段过速故障等 位置监视与同步校正故障 位置监视保护有编码器故障 终点开关故障 在提升 机控制系统中 提升容器 PLC 位置运算值与实际值保持一致是极其重要的 在实际运行 中 因故障停车造成钢丝绳在主卷筒上的滑动以及停电 钢丝绳伸长原因使提升容器位置 运算值与实际值产生偏差 这个偏差需要在本次运行至终点位置前进行纠正 校对位置叫 做同步校对点 如果系统没有纠正或校对开关不工作则产生同步故障 同步故障包括井筒 同步开关故障和钢丝绳磁同步开关故障 详细如图 2 4 所示 3 从故障点产生原因的性质分 可分为器件损坏类故障 电气线路错误类故障 漏检失修 类故障 外界环境影响类故障 操作失误类故障等故障 1 器件损坏类故障 由于系统或设备元器件的损坏引起的故障 这类故障的特点 是必须更换或维修好损坏的元器件才能排除故障 2 电气线路错误类故障 由于电气系统线路错接 断路 虚连引起的故障属于电 气线路错误类故障 这类故障必须正确连接线路 连接断路 压紧虚连线路才能排除故障 3 漏检失修类故障 由于设备漏检失修引起的故障属于漏检失修类故障 这一类 故障通常以其他的故障现象出现 如导向轮轴承没有按期注油常会引起轴承过热和轴承超 温故障 如果继续发展会造成导向轮轴承损坏 器件损坏类故障 这类故障加强计划性检 修工作 才能是提升机正常运转 4 外界因素影响类故障 提升机系统不可避免地会受到外界因素影响 如雷击使 电源系统产生波动 机械震动会使提升容器产生共振 电气线路受到电 磁干扰使电气不 能正常工作 出现莫名其妙的故障等 这些问题的解决方法是 改进设计或对现有系统进 行改进 提高抵抗影响的能力 5 操作失误类故障 提升机系统因司机操作这操作失误引起的故障 如提升机司 机在重载的情况下操作方向故障 引起重物下放故障 操作失误类故障的解决方法是 规 范操作人员的操作规程 以及提高系统识别操作失误的能力 从故障点产生原因去分类 分析研究故障 使维护人员能够找到解决问题的手段和办 法 对于故障诊断系统来说 系统就是按着这个故障名称 故障原因 解决方案的结构来构 造框架 最终给出解决问题的答案 矿井提升机故障的分类方法有很多 以上从三个不同的角度去分类 分析和认识矿井 提升机故障 从而使矿井提升机故障的计算机分析从单纯的名称 代号 发展为更全面 更接近于其具体的客观实际 7 提升机故障特点 通过以上对提升机整体结构组成和故障类型的分析 可以看出矿井提升机是一个复杂 的机电系统 不仅系统组成和逻辑控制结构复杂 而且其运行过程中所产生的故障原因和 故障征兆之间表现出极其错综复杂的关系 因此 矿井提升机故障具有下列特点 48 49 1 复杂性 矿井提升机是煤矿设备中最复杂的系统 其机械系统包含众多大型机械 中小型机械 安装位置从几十上百米的井塔 到几百米的井下 既有液压系统 又有气动系统 既有几 十吨的提升容器在井筒内循环穿梭 又有精密的液压元件工作 其电气控制系统包含了电 气工业的各个领域 高压供变电 变流技术 电机学与电机调速 自动控制技术 PLC 技 术 单片机技术 模拟和数字电子技术 工业通讯技术等 提升机系统设备的复杂性决定 了其故障的复杂性这一最基本的特性 其表现为三个方面 1 由于构成矿井提升机的各子系统之间和子系统内部各部件之间相互联系 紧密 配合 致使故障原因与故障征兆之间表现出多因多果 一因多果和多因一果的关系 即同一种故障征兆往往对应着几种故障原因 同一种故障原因又会引起多种故障征兆 2 同一个因果关系因时间 空间 环境 气候以及其他因素变化时其关系发生变 化 比如制约矿井提升机产能的主电机温度 和提升的载荷有关系 与机房温度有关 系 与电压有关系 与主电机的碳刷有关系 与冷却系统有关系 与调节系统的电流 调节有关系 3 由于认识上的限制 由于对提升机系统的某些客观规律尚没有充分了解 导致 某种故障原因与征兆之间不明确的因果关系 使得故障诊断具有极大的不可预知的复 杂性 2 层次性 矿井提升机系统的结构可以划分为系统 子系统 部件 元件等各个层次 从而形成 其功能的层次性 因而故障的产生对应于系统的不同层次 表现出层次性 任何故障都与 系统的某一层次相联系 高层次的故障可以由低层次故障引起 而低层次的故障必定引起 高层次故障 这种故障由低层次向高层次的逐级发展就是故障的层次性 也称为故障的 纵向性 故障的层次性为制订故障诊断的策略和模型提供了方便 使矿井提升机诊断问 题的求解效率有所提高 3 相关性 矿井提升机的故障一般不会孤立地存在 它们之间相互依存 相互影响 由于矿井提 升机是由若干相互联系的子系统组成的整体 某些子系统的故障不但是由本身或下一级子 系统的故障导致 还有可能是与之相关联的其他子系统传播所致 因而故障表现出立体的 相关性 即任何一个原发故障都存在多条潜在的传播途径 可能引起多个故障同时并存 这也称为故障的 横向性 一种故障可能对应多种征兆 一种征兆也可能对应多种故障 这种故障与征兆之间的复杂关系给系统的故障诊断带来了一定困难 多故障诊断是矿井提 升机故障诊断的一个关键问题 4 不确定性 不确定性是矿井提升机故障的一个重要特性 矿井提升机系统在不同的时间 不同的 工作环境下 各层次的单元特性与各单元间的联系特性不可能是完全确定的 从而导致元 素 联系直至系统的状态和行为也不可能是完全确定的 而故障的产生与一定的条件和环 境有关 不同条件和不同环境下 故障的表现 对故障的描述及划分存在不一致性 如用 不同的方法所描述的故障的程度就不尽相同 5 可发展性 一个矿井提升机系统的工作期限是矿井的一个或多个水平服务年限 长达十年 数十 年之久 对该提升机系统故障认识也是不断丰富 不断发展的 每排除一次新的故障 就 根据故障采取的新的措施 对控制系统进行新的改进 更新的故障也会在改进的环境和系 统有新的表现状态 系统就在这些改进中不断发展 完善 事故出现频率在这些改进不断 发展 完善中降低 8 故障诊断推理问题是指诊断者针对诊断对象 根据所拥有的故障知识从所获取到的 故障现象出发 给出诊断结果的过程 是一个思维分析推理的过程 也是一个故障知识模 型的构建过程 构建故障知识模型的目的是详细解释故障诊断推理任务所用到的故障知识 类型和结构 其应具备表示该故障诊断领域所需要的各种系统知识和故障知识的能力 具 备操作已表达系统知识的能力 以及具备将相关知识信息与系统结构相融合的能力 同时 故障诊断知识模型也应反映故障诊断知识推理系统的总体设计思路 高质量的故障知识模 型不仅能使该领域故障知识系统表达清晰 人机交互方便 更重要的是能使知识工程师灵 活快捷地把握知识的重要环节 进行故障知识分析 避免不必要 重复性的知识获取工作 从而提高工作效率 提高故障诊断推理的效率和质量 因此 故障知识模型的开发对故障 诊断系统的研制至关重要 提升机故障诊断知识模型研究就是通过对提升机系统及其故障知识进行分析和抽象 结合提升机本身故障机理 构建提升机故障诊断知识模型 提供提升机故障诊断过程中所 需要的数据和知识结构的规范说明 为实现提升机故障诊断知识推理系统奠定基础 本章 的主要工作是通过分析比较现有知识建模方法和基于本体技术的语义建模方法 结合第二 章中对提升机系统及其故障知识的分析 提出语义环境下的提升机故障诊断知识模型 构 建基于本体方法的提升机故障语义知识库框架 并对其中的系统组成和关键技术问题进行 详细地说明 为完成语义环境下提升机故障诊断推理系统的实现奠定基础 9 语义与知识建模 语义 Semantic 是对象资源的组织方法论 对知识 内容或数据的抽象 也可以简 单地看作是数据所对应的现实世界中的事物所代表的概念的含义以及这些含义之间的关系 是数据在某个领域上的解释和逻辑表示 语义是对数据符号的解释 即语义就是研究对象 资源的形式和意义之间的关系为重点的 60 数据 Data 是载荷或记录对象资源信息的 按一定规则排列组合的物理符号 可以 是数字 文字 图像 也可以是计算机代码 对对象资源信息的接收始于对数据的接收 对信息的获取只能通过对数据背景的解读 数据背景是接收者针对特定数据的信息准备 即当接收者了解物理符号序列的规律 并知道每个符号和符号组合的指向性目标或含义时 便可以获得一组数据所载荷的信息 亦即数据转化为信息 可以用公式 数据 背景 信息 表示 61 可以看出对于信息处理科学来说 数据往往是通过对象资源所表现的各种模式来组织 的 语义就是指各种模式的各种属性的含义 并包含这些符号之间的组织方式和结构关系 的定义 一般是指用户对于那些用来描述现实世界的计算机表示的解析 同时 语义具有 领域性特性 不属于任何领域的语义描述是不存在的 所以 可以将信息的含义为被赋予 了语义的数据 如果该语义能够被计算机能够通过形式化系统解释 推理并判断 那么该 信息就是能够被计算机所处理的信息 知识是指用来描述对象资源信息的数据或概念 数据或概念之间的关系 以及概念在 陈述具体对象资源时所必须满足的各种环境规则 对于信息的语义以及信息语义之间的关 联关系的描述本身就是一种知识的表达 而往往将语义的表示等同于知识系统的表示 即 知识模型的构建 62 知识模型是指利用科学的归纳方法 以对研究对象的观察 抽象形 成的知识为基础 建立起来的关于知识之间的关系和影响方式的模型 63 即运用数据 符号和图像等方式 对研究对象资源系统进行的抽象和描述 建立知识模型的基本目的是 明确研究对象资源的系统结构和外界环境因素 以及明确研究系统中的各个组成单元之间 的联系及其与外界环境因素之间的关系 可以看出 语义与知识建模是密切联系的 都是知识工程中重要的环节 语义是从数 据和概念的含义角度对知识进行描述 其目的就是构建合理有效的知识模型 从而为深入 研究对象奠定基础 10 知识建模方法 知识模型构建过程中关键问题是如何合理有效地表示对象资源信息 即知识表示 知 识表示就是对分析对象信息的一种描述 或是对信息的一组约定 一种计算机可以接受的 用于表示信息的数据结构 即研究对象信息表示的数据结构及其处理机制的综合 知识建 模方法选取的好坏对知识处理的效率和应用范围影响很大 对知识获取和学习机制的研究 也有直接的影响 其中常用的知识表示方法有 逻辑模式 产生式规则 语义网络和框架 模式等 63 如表 3 1 所示 表 3 1 常用的知识建模方法 可以看出来 传统知识建模方法在表示 传递和共享过程中均存在无法保证知识在传 递中的唯一性和知识推理组合爆炸等问题 因此 复杂知识表示能力的强弱以及知识单元 的组织方式直接决定了这种知识建模方法的适用范围 64 故采用本体技术建模 11 本体技术 本体 Ontology 概念起源于哲学领域 在哲学中把本体定义为 对世界上客观存 在物的系统地描述 即存在论 Gruber 1993 近十多年来 本体论的相关研究日益成 熟 也已超出哲学领域范畴 并和信息技术 人工智能 知识工程关系越来越密切 在计 算机领域中 随着人们理解的加深 不同时期给出的定义例举如表 3 2 所示 65 表 3 2 不同的本体定义 被引用比较多的是 Studer 于 1998 年提出的定义 它体现了本体的四层含义 66 67 概念化 Conceptualization 通过抽象出客观世界中一些现象的相关概念而得到的模型 其表示的含义独立于具体的环境状态 明确 Explicit 所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义 形式化 Formal 本体是计算机可读的 也即可编程计算 共享 Share 本体中体现的是共同认可的知识 反映的是相关领域中公认的概念集 它 所针对的是团体而不是个体 本体是一个结构复杂的语义模型 本体表示的内在结构如图 3 1 所示 可以分为三个 结构层次 外层是表示层 提供概念与概念关系的形式化语义 在该层中提供了描述知识 的本体基本建模实体和概念层次结构 提供定义概念的形式化语义的方法和描述本体的句 法 便于用户建立 维护 理解和使用本体 中层是逻辑推理层 在逻辑理论的基础上建 立概念的形式化语义 并根据概念语义逻辑关系 实现有效的本体推理 内层是存储与交 换层 用严格的语法结构表示本体数据实例 Perez 等人认为 Ontology 可以按分类法来组织 65 67 他归纳出 Ontology 包含 5 个基本的建模元语 Modeling Primitive 这些元语分别为 概念 concepts 或类 classes 关系 relations 函数 functions 公理 axioms 和实例 instances 概念的含义很广泛 可以指任何事物 表示一组共享某些相同属性的对象的集合 需 要进行规范化描述 任一个概念都有一组属性 属性分为对象属性和数据属性 对象属性 表示个体之间的关系 数据属性表示个体到数值的关系 关系代表概念之间的语义关系 66 代表了在领域中概念之间的交互作用 形式上定 义为 n 维笛卡儿