液壓支架電液控制系統故障診斷方法設計及應用

常彥鵬

（山西焦煤物資裝備汾西租賃分公司，山西 介休 032000）

當前，我國具備電液控制功能的液壓支架普及程度逐年提升，對于提高礦井的自動化程度及安全生產水平起到了非常關鍵的作用。但是，由于液壓支架電液控制系統又是涵蓋了液壓、電氣、通訊、集中控制等多技術門類的復雜系統，井下工作條件又十分復雜、惡劣，如果在操作使用及檢修維護方面的管理不夠嚴格，就會使整個電液控制系統故障頻發，且故障診斷及處置難度大，嚴重影響工作面的安全高效生產。因此，國內各大礦區均對液壓支架電液控制系統的故障診斷技術展開了深入研究，取得了許多有益的成果[1-3]，本文基于數據融合技術，對汾西礦業集團在用液壓支架電液控制系統展開故障診斷研究，設計了故障診斷工作方法及流程，并進行了測試應用，為采場支護及故障快速排除提供指導，從而保障設備長期穩定運行。

1 ZDYZ型液壓支架電液控制系統概況

電液控制系統是針對綜采液壓支架建立的一種自動控制系統，用以控制工作面液壓支架進行自動操作，為礦用隔爆兼本質安全型，以控制器為核心，直流穩壓電源供電，并使用總線連接技術，將安裝于各個支架上的傳感器等設備連接成整體，各單體設備之間可以進行數據傳輸和通訊。同時，綜采工作面液壓支架數量多、結構復雜，在其電液控制系統中需要處理大量的數據，且需要性能較高的數據處理系統及信息傳輸系統，常用的總線結構難以滿足如此強度的數據需求，故采用CAN/RS通信總線協議，并以支架控制器MCU 為核心，通過以太網控制器進行信息中轉，并增加交換機硬件，模塊間建立互通關系，能夠實現數據實時互傳及自動轉發功能，大大提高了數據傳輸及處理效率。在系統前端的各臺支架設備上，連接有壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、紅外傳感器等終端設備，用以采集液壓支架實時狀態數，控制器系統整體工作架構如圖1所示。

圖1 液壓支架電液控制系統整體架構示意圖

2 基于數據融合技術的故障診斷系統搭建

數據融合技術是指利用計算機對按時序獲得的若干觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術，包括對各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過濾、相關及合成，以便對目標設備的狀態進行驗證、診斷。數據融合技術的實現基于整合通過不同方式獲得的各種類型的海量數據，是故障診斷工作的基礎和根本。具體到液壓支架，這些數據包括液壓支架的運行狀態參數、液壓電氣參數、系統自檢參數、其他各類監測數據等。

實現數據融合的關鍵工作之一是數據的快速采集及傳輸，數據的采集是基于前端安裝的壓力傳感器、行程傳感器、傾角傳感器、紅外傳感器等終端設備，數據的傳輸采用CAN/RS通信總線協議，并以支架控制器MCU 為核心，通過以太網控制器進行信息中轉，并增加交換機硬件，模塊間建立互通關系，能夠實現數據實時互傳及自動轉發功能，大大提高了數據傳輸及處理效率，如圖2所示。

圖2 液壓支架控制系統示意圖

實現數據融合的另一項關鍵工作是實現數據快速分析處理，控制系統負責數據匯總、數據更新、狀態監控、數據存儲、報表查看、日志查看、參數設置等功能。用戶遠程訪問系統是在Internet網絡內，訪問Web服務器并傳遞訪問請求，可動態瀏覽監控到的各項實時數據，并對數據進行管理及應用。數據融合核心任務是建立高效運行的數據庫，兼顧數據庫的性能和安全要求，降低數據冗余程度，根據關系型數據庫管理要求，選用MySQL數據庫系統。系統主要由文件配置器、日志緩沖器和監視器組成，文件配置器主要負責配置文件的讀取及初始化，日志緩沖器負責對MySQL產生的日志文件進行快速的讀取，縮短讀取時間。

3 液壓支架故障診斷功能實現及測試

根據系統的基礎原理及電液控制系統的故障診斷需求，搭建起故障診斷的軟硬件系統，并建立故障診斷專家數據庫，可以實現故障識別、定位、診斷及處置，設計的故障診斷流程如圖3所示，具體是先進行系統登錄及身份認證，然后監測各項前端數據并導入，包括樣本數據的導入和運行數據的導入，然后進入分類預測引擎，然后進行樣本訓練，實施故障特征提取，提取后將上傳的數據與故障診斷專家數據庫進行查找比對，進而實施故障診斷，期間可進行特征修整，并生成故障特征曲線。當故障發生后，故障信息會由下位機采集到并經通信系統傳至監控主機，故障信息包括了下位機所處的位置、故障類別信息等，足夠監控主機用以進行故障判斷及定位。下位機采集到故障信息后，上傳給監控主機進行分析判斷，迅速識別出故障地址信息和故障類型，發出警報，并在人機界面上顯示出故障情況及處置建議，再安排人員進行處置及維修。

圖3 故障診斷工作流程設計示意圖

按照以上工作流程，實施故障診斷測試，生成控制器故障特征曲線、壓力傳感器故障特征曲線、行程傳感器故障特征曲線如圖4 所示。分析（a）圖可以看出，控制器的故障特征較為明顯，當出現故障時，驅動電流的瞬時值會瞬間增大，出現峰值沖擊電流，故障曲線中呈現出兩次明顯的峰值，對應兩次控制器故障；分析（b）圖可知，當液壓值出現故障時，驅動電流的故障特征曲線會出現峰、谷紊亂；分析（c）圖可知，當油缸的行程出現不足或脫缸時，驅動電流的故障特征曲線也會出現較明顯的紊亂。生成這種故障曲線主要是為了直觀顯示故障識別原理，在系統的實際應用過程中，出現故障時會直接發出警報，并顯示出故障信息，提供處置方案，指導快速定位故障位置并進行檢修。

圖4 故障特征曲線圖

4 應用及展望

我國綜采工作面成套設備正朝著自動化、智能化方向快速發展，作為關鍵綜采設備的液壓支架，實現其控制操作遠程化、集中化以及故障診斷排除的智能化至關重要。本文針對ZDYZ型液壓支架電液控制系統的故障診斷需求，在分析其電液控制系統概況的基礎上，基于數據融合技術，對故障診斷系統的硬件、軟件架構進行搭建，建立故障診斷專家數據庫，設計了故障診斷流程，實施了故障診斷測試，并對控制器故障特征曲線、壓力傳感器故障特征曲線、行程傳感器故障特征曲線進行典型分析，實現了預期的研究目的。但由于篇幅所限，文章對系統的整體結構設計及工作機制闡述簡單，同時，對于惡劣工況下的系統可靠性研究還需要進一步深化，從而更好地適應煤礦工作現場，保障安全生產。