煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能評估技術(shù)

王用維

（山東能源魯西礦業(yè)有限公司梁家煤礦綜放隊，山東 龍口 265700）

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生產(chǎn)能力的提升，我國煤礦企業(yè)在市場內(nèi)的規(guī)模越來越大，為確保煤礦企業(yè)在此種發(fā)展背景下具有穩(wěn)定的生產(chǎn)收益，應(yīng)根據(jù)相關(guān)工作實際需求，進(jìn)行煤礦企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的及時更新，并按照企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)規(guī)范，設(shè)計合理、優(yōu)化的設(shè)備管理模式，通過此種方式，在保證企業(yè)產(chǎn)能的條件下，降低煤礦企業(yè)內(nèi)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中的風(fēng)險，保證機(jī)械運(yùn)行的可靠性與安全性［1］。在落實此項工作時，應(yīng)明確機(jī)電設(shè)備是煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中的主要設(shè)備之一，設(shè)備的運(yùn)行能力、持續(xù)化運(yùn)行水平不僅對企業(yè)生產(chǎn)造成決定性影響，還會對企業(yè)社會運(yùn)營中的經(jīng)濟(jì)效益造成干預(yù)。一旦煤礦企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)作過程中出現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障，企業(yè)需要支出部分資金用于設(shè)備維修，與此同時，企業(yè)還需要支付一部分由于設(shè)備異常或設(shè)備故障導(dǎo)致的間接性費用。為實現(xiàn)對此項工作的優(yōu)化，為煤礦企業(yè)社會生產(chǎn)與發(fā)展提供全面保障與技術(shù)支撐，有關(guān)單位提出了針對煤礦企業(yè)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中實時狀態(tài)的感知與評估方法，但早期設(shè)計的方法在實際應(yīng)用中均存在不同程度的問題，部分評估方法需要大量的決策數(shù)據(jù)作為支撐，而一旦決策數(shù)據(jù)中存在不真實數(shù)據(jù)或偏差數(shù)據(jù)，便會出現(xiàn)評價結(jié)果偏離真實結(jié)果的問題。為解決此方面問題，提高煤礦企業(yè)中機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計一種針對其運(yùn)行狀態(tài)的全新評估方法，通過此種方式，可更加直觀地掌握設(shè)備實時運(yùn)行狀態(tài)，給企業(yè)生產(chǎn)管理提供技術(shù)幫助與指導(dǎo)。

1 選取煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)

為實時掌握煤礦設(shè)備在運(yùn)行中的安全狀態(tài)，保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與連續(xù)性，應(yīng)在設(shè)計評價方法前，進(jìn)行設(shè)備健康指標(biāo)選擇［2］。通常情況下，采用在機(jī)電設(shè)備上安裝傳感器，對機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、感知、監(jiān)測與記錄。用于描述機(jī)電設(shè)備常量狀態(tài)的數(shù)據(jù)包括：機(jī)電設(shè)備振動頻率、設(shè)備運(yùn)行溫度、壓力與流量等。在獲取信息時，根據(jù)相關(guān)工作需求，部署不同類型的傳感器。

在此過程中，選用MG-200500-AWD 型號的對點檢記錄設(shè)備，進(jìn)行機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中狀態(tài)數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)的記錄，根據(jù)獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計見表1所列的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)［3］。設(shè)計指標(biāo)時所選指標(biāo)應(yīng)具有覆蓋范圍全面、代表性等特點。

表1 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)定現(xiàn)有用于評價機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的構(gòu)件數(shù)量表示為n，此時，可使用A 表示機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)集合［4］。按照上述方式，完成對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評價指標(biāo)體系的構(gòu)建。

2 計算機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)劣化度

完成上述研究后，可將機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中的劣化程度作為評估設(shè)備安全性的關(guān)鍵，明確機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中，不同構(gòu)件之間的狀態(tài)與其整體狀態(tài)之間具有密不可分的聯(lián)系［5］。因此，可以根據(jù)機(jī)電設(shè)備的劣化程度，掌握機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行中距離良好狀態(tài)的偏向距離。在此過程中，明確機(jī)電設(shè)備運(yùn)行中可能造成其劣化的影響因素較多，將根據(jù)設(shè)備額定狀態(tài)，進(jìn)行其劣化狀態(tài)與劣化程度的初步計算，計算公式如式（1）。

式（1）中,d表示劣化程度的初步計算結(jié)果；x0表示煤礦機(jī)電設(shè)備初始化運(yùn)行狀態(tài)；xn表示傳感器反饋的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；xmax表示機(jī)電設(shè)備在極限條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)；k表示狀態(tài)參數(shù)與煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)額定參數(shù)之間的關(guān)系，常規(guī)條件下，k的取值為常數(shù)；n表示現(xiàn)有用于評價機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的構(gòu)件數(shù)量。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將初步評估結(jié)果錄入專家系統(tǒng)中，輔助人為評分的方式，進(jìn)行其劣化程度的進(jìn)一步計算［6］。假設(shè)在此過程中機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)包括M種，可按照式（2）進(jìn)行其劣化值的計算。

式（2）中,D表示基于專家系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備運(yùn)行劣化程度計算值；d表示劣化程度的初步計算結(jié)果；X表示現(xiàn)場打分值；Y表示專家評估值；M表示技術(shù)小組評分值。按照上述方式，完成對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)劣化的分析，為設(shè)備運(yùn)行過程中的智能化評估提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)作為決策支撐。

3 基于層次分析的運(yùn)行狀態(tài)智能評估

為實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能化評估，引進(jìn)層次分析法，對不同機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)劣化度計算結(jié)果進(jìn)行量化。量化前，需要根據(jù)相關(guān)工作的需求，進(jìn)行計算結(jié)果的一致性檢驗，對計算值進(jìn)行檢驗不僅是為了保證評價結(jié)果具有可行性，還是檢驗評估結(jié)果真實性與可靠性的過程［7］。在此過程中，需要先獲取不同評價參數(shù)與指標(biāo)在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值，以此為標(biāo)準(zhǔn)，確定數(shù)值在評估過程中的確定步長。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)層次分析法，進(jìn)行不同指標(biāo)的權(quán)重分析，掌握多個評價指標(biāo)在評估過程中的重要程度。同時，建立評價模型，錄入機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)集合、評價集合，根據(jù)現(xiàn)有確定設(shè)備狀態(tài)區(qū)間的評估內(nèi)容。構(gòu)建評價矩陣，明確評價過程中的向量值，在遵循最大隸屬度原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能化評估。上述提出內(nèi)容中的一致性檢驗，可通過式（3）計算實現(xiàn)。

式（3）中,C表示評價結(jié)果一致性檢驗值；c表示隨機(jī)檢驗值；I表示指標(biāo)層次；P表示權(quán)重；R表示判斷矩陣；p表示指標(biāo)維度。根據(jù)相關(guān)工作需求：當(dāng)C的計算結(jié)果大于0.05 時，說明檢驗結(jié)果真實、可靠，輸出C值對應(yīng)的結(jié)果；當(dāng)C的計算結(jié)果小于0.05 時，說明檢驗結(jié)果存在偏差，需要采用重新構(gòu)造判斷矩陣或重新進(jìn)行指標(biāo)選擇方式，進(jìn)行檢驗結(jié)果校正［8］。按照上述方式，對評價過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工作，將式（2）中的劣化值作為狀態(tài)評估參照依據(jù)，設(shè)計煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估等級與劃分標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)內(nèi)容見表2所列。

表2 煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估等級與劃分標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)評估后機(jī)電設(shè)備處于I等級時，證明設(shè)備在運(yùn)行中各項指標(biāo)、運(yùn)行參數(shù)、反饋數(shù)值正常，且監(jiān)測其狀態(tài)值與設(shè)計的預(yù)警閾值較遠(yuǎn)，可根據(jù)實際情況，適當(dāng)延長或增加針對此設(shè)備的運(yùn)行檢修與維護(hù)周期。

當(dāng)評估后機(jī)電設(shè)備處于II 等級時，證明設(shè)備在運(yùn)行中各項指標(biāo)、運(yùn)行參數(shù)、反饋數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍波動，但此刻設(shè)備的運(yùn)行不存在安全風(fēng)險，可按照預(yù)設(shè)的維護(hù)周期進(jìn)行設(shè)備檢修與維護(hù)。

當(dāng)評估后機(jī)電設(shè)備處于III 等級時，證明設(shè)備在運(yùn)行中部分指標(biāo)與反饋數(shù)值在預(yù)警閾值范圍內(nèi)，也有部分指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)值上下波動，應(yīng)適當(dāng)加大對此設(shè)備的安全檢修，并在維護(hù)與更新過程中，針對此設(shè)備遵循優(yōu)先維護(hù)原則。

當(dāng)評估后機(jī)電設(shè)備處于IV 等級時，說明設(shè)備的各項指標(biāo)已經(jīng)呈現(xiàn)異常波動狀態(tài)，該設(shè)備無法在煤礦企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程中發(fā)揮預(yù)期效果，需要立刻采取有效措施進(jìn)行設(shè)備維修與安全檢查。

4 實例應(yīng)用分析

完成上述設(shè)計后，為實現(xiàn)對本設(shè)計方法在實際應(yīng)用中效果的檢驗，將以試點地區(qū)某煤礦企業(yè)為例，使用本設(shè)計方法，對企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過程中的煤礦設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估。為確保設(shè)計方法可以發(fā)揮預(yù)期評價效果，在設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控終端進(jìn)行測試環(huán)境的配置。相關(guān)內(nèi)容見表3所列。

表3 監(jiān)控終端測試環(huán)境的配置

按照上述方式，完成對實驗環(huán)境的配置后，選擇FA-15 000型號的機(jī)電設(shè)備作為評估對象，在其作業(yè)環(huán)境中安裝傳感器，按照本設(shè)計方法進(jìn)行評估，在此過程中，先根據(jù)設(shè)備型號、額定參數(shù)、屬性信息等，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估指標(biāo)體系的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，使用傳感器，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，計算機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)劣化度，結(jié)合層次分析法，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能評估。將評估結(jié)果按照監(jiān)測時序反饋到前端，在前端進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知。已知該設(shè)備在運(yùn)行中處于預(yù)警狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，截取前端屏幕上部分時段設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評估曲線，如圖1所示。

圖1 煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能評估結(jié)果

圖1中四條虛線代表設(shè)備劣化度量化的界線。從上述實驗結(jié)果可以看出，本設(shè)計方法反饋的結(jié)果顯示，該設(shè)備的劣化值在0.35～0.65 D波動，與表2中內(nèi)容進(jìn)行比對，說明設(shè)備的運(yùn)行處于預(yù)警狀態(tài)。此評價結(jié)果與已知結(jié)果一致，由此可以證明本評價方法具有可靠性。

5 結(jié)束語

為發(fā)揮機(jī)電設(shè)備在煤礦企業(yè)中更高的效能，實現(xiàn)為煤礦企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，開展了此次研究。研究成果經(jīng)過實踐檢驗后證實了具有一定可行性，但要實現(xiàn)將此方法在煤礦企業(yè)內(nèi)大規(guī)模推廣使用，還需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，加大對此方法實踐測試的投入，通過此種方式，為深化此方法的綜合性能提供進(jìn)一步的指導(dǎo)與幫助。