液压支架电液控制系统故障诊断方法设计及应用

常彦鹏

（山西焦煤物资装备汾西租赁分公司，山西 介休 032000）

当前，我国具备电液控制功能的液压支架普及程度逐年提升，对于提高矿井的自动化程度及安全生产水平起到了非常关键的作用。但是，由于液压支架电液控制系统又是涵盖了液压、电气、通讯、集中控制等多技术门类的复杂系统，井下工作条件又十分复杂、恶劣，如果在操作使用及检修维护方面的管理不够严格，就会使整个电液控制系统故障频发，且故障诊断及处置难度大，严重影响工作面的安全高效生产。因此，国内各大矿区均对液压支架电液控制系统的故障诊断技术展开了深入研究，取得了许多有益的成果[1-3]，本文基于数据融合技术，对汾西矿业集团在用液压支架电液控制系统展开故障诊断研究，设计了故障诊断工作方法及流程，并进行了测试应用，为采场支护及故障快速排除提供指导，从而保障设备长期稳定运行。

1 ZDYZ型液压支架电液控制系统概况

电液控制系统是针对综采液压支架建立的一种自动控制系统，用以控制工作面液压支架进行自动操作，为矿用隔爆兼本质安全型，以控制器为核心，直流稳压电源供电，并使用总线连接技术，将安装于各个支架上的传感器等设备连接成整体，各单体设备之间可以进行数据传输和通讯。同时，综采工作面液压支架数量多、结构复杂，在其电液控制系统中需要处理大量的数据，且需要性能较高的数据处理系统及信息传输系统，常用的总线结构难以满足如此强度的数据需求，故采用CAN/RS通信总线协议，并以支架控制器MCU 为核心，通过以太网控制器进行信息中转，并增加交换机硬件，模块间建立互通关系，能够实现数据实时互传及自动转发功能，大大提高了数据传输及处理效率。在系统前端的各台支架设备上，连接有压力传感器、行程传感器、倾角传感器、红外传感器等终端设备，用以采集液压支架实时状态数，控制器系统整体工作架构如图1所示。

图1 液压支架电液控制系统整体架构示意图

2 基于数据融合技术的故障诊断系统搭建

数据融合技术是指利用计算机对按时序获得的若干观测信息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理技术，包括对各种信息源给出的有用信息的采集、传输、综合、过滤、相关及合成，以便对目标设备的状态进行验证、诊断。数据融合技术的实现基于整合通过不同方式获得的各种类型的海量数据，是故障诊断工作的基础和根本。具体到液压支架，这些数据包括液压支架的运行状态参数、液压电气参数、系统自检参数、其他各类监测数据等。

实现数据融合的关键工作之一是数据的快速采集及传输，数据的采集是基于前端安装的压力传感器、行程传感器、倾角传感器、红外传感器等终端设备，数据的传输采用CAN/RS通信总线协议，并以支架控制器MCU 为核心，通过以太网控制器进行信息中转，并增加交换机硬件，模块间建立互通关系，能够实现数据实时互传及自动转发功能，大大提高了数据传输及处理效率，如图2所示。

图2 液压支架控制系统示意图

实现数据融合的另一项关键工作是实现数据快速分析处理，控制系统负责数据汇总、数据更新、状态监控、数据存储、报表查看、日志查看、参数设置等功能。用户远程访问系统是在Internet网络内，访问Web服务器并传递访问请求，可动态浏览监控到的各项实时数据，并对数据进行管理及应用。数据融合核心任务是建立高效运行的数据库，兼顾数据库的性能和安全要求，降低数据冗余程度，根据关系型数据库管理要求，选用MySQL数据库系统。系统主要由文件配置器、日志缓冲器和监视器组成，文件配置器主要负责配置文件的读取及初始化，日志缓冲器负责对MySQL产生的日志文件进行快速的读取，缩短读取时间。

3 液压支架故障诊断功能实现及测试

根据系统的基础原理及电液控制系统的故障诊断需求，搭建起故障诊断的软硬件系统，并建立故障诊断专家数据库，可以实现故障识别、定位、诊断及处置，设计的故障诊断流程如图3所示，具体是先进行系统登录及身份认证，然后监测各项前端数据并导入，包括样本数据的导入和运行数据的导入，然后进入分类预测引擎，然后进行样本训练，实施故障特征提取，提取后将上传的数据与故障诊断专家数据库进行查找比对，进而实施故障诊断，期间可进行特征修整，并生成故障特征曲线。当故障发生后，故障信息会由下位机采集到并经通信系统传至监控主机，故障信息包括了下位机所处的位置、故障类别信息等，足够监控主机用以进行故障判断及定位。下位机采集到故障信息后，上传给监控主机进行分析判断，迅速识别出故障地址信息和故障类型，发出警报，并在人机界面上显示出故障情况及处置建议，再安排人员进行处置及维修。

图3 故障诊断工作流程设计示意图

按照以上工作流程，实施故障诊断测试，生成控制器故障特征曲线、压力传感器故障特征曲线、行程传感器故障特征曲线如图4 所示。分析（a）图可以看出，控制器的故障特征较为明显，当出现故障时，驱动电流的瞬时值会瞬间增大，出现峰值冲击电流，故障曲线中呈现出两次明显的峰值，对应两次控制器故障；分析（b）图可知，当液压值出现故障时，驱动电流的故障特征曲线会出现峰、谷紊乱；分析（c）图可知，当油缸的行程出现不足或脱缸时，驱动电流的故障特征曲线也会出现较明显的紊乱。生成这种故障曲线主要是为了直观显示故障识别原理，在系统的实际应用过程中，出现故障时会直接发出警报，并显示出故障信息，提供处置方案，指导快速定位故障位置并进行检修。

图4 故障特征曲线图

4 应用及展望

我国综采工作面成套设备正朝着自动化、智能化方向快速发展，作为关键综采设备的液压支架，实现其控制操作远程化、集中化以及故障诊断排除的智能化至关重要。本文针对ZDYZ型液压支架电液控制系统的故障诊断需求，在分析其电液控制系统概况的基础上，基于数据融合技术，对故障诊断系统的硬件、软件架构进行搭建，建立故障诊断专家数据库，设计了故障诊断流程，实施了故障诊断测试，并对控制器故障特征曲线、压力传感器故障特征曲线、行程传感器故障特征曲线进行典型分析，实现了预期的研究目的。但由于篇幅所限，文章对系统的整体结构设计及工作机制阐述简单，同时，对于恶劣工况下的系统可靠性研究还需要进一步深化，从而更好地适应煤矿工作现场，保障安全生产。