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(duì)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(dòng)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(duì)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(tái)了一系列安全規(guī)程，對(duì)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(duì)提升系統(tǒng)的安全有明確規(guī)定，要求對(duì)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(jì)劃預(yù)防維修思想的體現(xiàn)，它通過定時(shí)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(huì)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(jì)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(shí)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(duì)提升系統(tǒng)故障狀況做出正確有效的判斷，故障長時(shí)間得不到解決，輕者會(huì)造成停產(chǎn)，重者會(huì)威脅煤礦職工的生命安全。因此，對(duì)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(duì)提升機(jī)老化的控制系統(tǒng)，集團(tuán)公司持續(xù)有計(jì)劃的進(jìn)行升級(jí)改造，例如目前濟(jì)寧二號(hào)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(jí)。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(duì)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(dòng)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(duì)安全生產(chǎn)要求的不斷提高，兗礦集團(tuán)對(duì)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(duì)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(hào)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(shí)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(xiǎn)預(yù)控視角對(duì)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(duì)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(dòng)、提升機(jī)軸承底座振動(dòng)、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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(jì)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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)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(tái)和智能移動(dòng)終端APP的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)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(jià)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(shí)有效，延長設(shè)備使用周期，同時(shí)為降低用戶維護(hù)成本、停機(jī)時(shí)間提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

（5）通過數(shù)字化對(duì)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(duì)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(gè)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(huì)對(duì)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(huì)逐步成熟，必將對(duì)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(xiǎn)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(duì)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(duì)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(jì)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(gè)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(duì)提升機(jī)關(guān)聯(lián)信息的分析不夠，使得對(duì)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(jì)；

（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(bào)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(duì)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(tái)交互、終端擴(kuò)展等方面面臨無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)機(jī)電系統(tǒng)來健康分析，提升機(jī)應(yīng)該作為一個(gè)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(jì)算，邊緣計(jì)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(jiān)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(xiǎn)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，可以遠(yuǎn)程完成對(duì)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(jì)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(chǔ)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(jià)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(gè)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(duì)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)要求極為苛刻。針對(duì)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(duì)煤礦提升系統(tǒng)中存儲(chǔ)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(shí)別、圖像識(shí)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(dòng)、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(gè)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(duì)與礦井提升機(jī)安全狀況有關(guān)的異常信號(hào)、故障發(fā)生源進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(bào)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(jià)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(shí)有效，延長設(shè)備使用周期，同時(shí)為降低用戶維護(hù)成本、停機(jī)時(shí)間提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。通過數(shù)字化對(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)隨地的掌握設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)也會(huì)在第一時(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等安全檢測監(jiān)控技術(shù)對(duì)礦井提升過程的安全運(yùn)行健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和數(shù)字化采集與存儲(chǔ)，從而構(gòu)建一個(gè)礦井提升機(jī)系統(tǒng)多源關(guān)聯(lián)信息共享平臺(tái)。采用先進(jìn)傳感技術(shù)，借助遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)及時(shí)有效地進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，以計(jì)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(tái)，從而保障礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)辨識(shí)、故障維修及設(shè)備維護(hù)的實(shí)時(shí)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(dòng)監(jiān)測子系統(tǒng)

礦井提升機(jī)振動(dòng)異常監(jiān)測方案如圖2 所示，主要包括對(duì)振動(dòng)樣本位移、速度和加速度等信號(hào)的測量、無線通信等過程。提升機(jī)振動(dòng)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(dòng)加速度信號(hào)，再通過積分運(yùn)算獲取振動(dòng)速度和位移。振動(dòng)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(hào)發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖2 提升機(jī)振動(dòng)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(dòng)樣本處理和ZigBee 無線通信等功能。振動(dòng)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(hào)。由于LIS3DH 傳感器輸出為IIC 信號(hào)， 接口配置OD2101 芯片轉(zhuǎn)化為UART，將三維加速度信號(hào)采集輸入到CC2530。

礦井提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)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)取Ｌ嵘龣C(jī)振動(dòng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、處理振動(dòng)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(dòng)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(hào)，ZigBee 多跳通信借助分散布置的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，接收振動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，便于及時(shí)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(shí)的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)傳感器為單軸傳感器，在某些部分需要二軸或三軸振動(dòng)監(jiān)測，圖 3-2 為系統(tǒng)選擇的三軸振動(dòng)方向，X、Y、Z 軸方向相互垂直。

圖3 振動(dòng)的三個(gè)方向

綜合考慮各因素，本系統(tǒng)選用的礦用 GB20 振動(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)溫度傳感器其電源線和信號(hào)傳輸線都會(huì)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(dòng)傳感器，如圖 5所示。

圖5 無線振動(dòng)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(hào)穩(wěn)定。

（二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

多個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集后要傳輸?shù)缴蠈哟鎯?chǔ)到數(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(chǔ)為方式為配置式，即現(xiàn)場人員可以根據(jù)需求對(duì)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(chǔ)，并對(duì)變量的掃描周期、存儲(chǔ)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(chǔ)的數(shù)據(jù)包括但不限于：

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

3）提升機(jī)機(jī)械振動(dòng)參數(shù)，主要包括：主軸軸承基座振動(dòng)、電機(jī)（減速機(jī)）振動(dòng)、提升井架振動(dòng)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(bào)警數(shù)據(jù)，包括：現(xiàn)有PLC中處理后產(chǎn)生的報(bào)警異常、故障信息、變頻驅(qū)動(dòng)控制部分處理后產(chǎn)生的報(bào)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(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電能質(zhì)量及能耗、應(yīng)急電源供電系統(tǒng)、信號(hào)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(shí)在線分析，對(duì)提升安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，上傳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(bào)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(duì)提升運(yùn)行單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、制動(dòng)系統(tǒng)單元、提升供電單元、提升井架單元等，針對(duì)每個(gè)單元模塊主要進(jìn)行實(shí)時(shí)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(bào)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(shí)數(shù)據(jù)分析

（1）實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)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(duì)上述參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測提升機(jī)單一變量的數(shù)值分析方法，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)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(shí)別能力。如圖8所示，以實(shí)時(shí)監(jiān)測電流曲線為例，在速度不變的階段，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊功能限制性，在系統(tǒng)實(shí)際使用中對(duì)一些特殊情況做出反應(yīng)滯后甚至出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)同一運(yùn)行條件下，軸承溫度異常、電動(dòng)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(shí)間（測試期間）的狀態(tài)，自動(dòng)生成報(bào)表及分析結(jié)果提供給用戶。

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

2.歷史數(shù)據(jù)分析

（1）干擾報(bào)警消除。針對(duì)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(jì)狀態(tài)異常識(shí)別算法。針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)干擾報(bào)警信息消除，采用非參數(shù)化智能算法，設(shè)計(jì)合適的報(bào)警延遲器、報(bào)警死區(qū)等方案，實(shí)現(xiàn)干擾報(bào)警消除，提高系統(tǒng)異常工況的識(shí)別效率。報(bào)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(bào)警優(yōu)化

通過分析監(jiān)控變量單調(diào)到達(dá)報(bào)警閾值的概率分布等規(guī)律性信息，設(shè)計(jì)報(bào)警閾值、報(bào)警延遲器、死區(qū)參數(shù)的優(yōu)化方法，提高報(bào)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(bào)警閾值的概率分布

圖11.2 偏離報(bào)警閾值和報(bào)警持續(xù)時(shí)間的相對(duì)關(guān)系

圖11 報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

（2）趨勢預(yù)測。采用時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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)行異常或故障演化預(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(duì)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(dòng)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(duì)于電動(dòng)機(jī)的異常報(bào)警可以四個(gè)變量的變化關(guān)系進(jìn)行根源分析查找。首先，建立電動(dòng)機(jī)異常報(bào)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(jì)算相結(jié)合，通過計(jì)算在主變量趨勢變化明顯時(shí)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(duì)在報(bào)警時(shí)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(jì)算各關(guān)聯(lián)變量對(duì)主變量的影響度，得到各報(bào)警根源及其所占的比重，最終形成電動(dòng)機(jī)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)信息庫。

在對(duì)當(dāng)前報(bào)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(bào)警數(shù)據(jù)段與歷史報(bào)警進(jìn)行對(duì)比，通過歷史經(jīng)驗(yàn)來對(duì)當(dāng)前報(bào)警進(jìn)行分析處理。基于快速進(jìn)行相似數(shù)據(jù)段查找的Matrix Profile 算法，來對(duì)當(dāng)前報(bào)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(bào)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(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫對(duì)設(shè)備的身份信息、運(yùn)行狀況、故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(duì)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(duì)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(jí)，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(gè)元器件的屬性也為配置式，如PLC，包含品牌、型號(hào)、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(huì)對(duì)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(duì)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(gè)典型的實(shí)例。

同時(shí)，用戶可以通過配置每個(gè)元器件的在線變量地址實(shí)時(shí)的映射現(xiàn)場真實(shí)的設(shè)備。要選擇的變量都會(huì)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。