文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2025）03-089-03中圖分類號(hào)：TP29

★葉鵬飛，徐強(qiáng)，韋紅洋（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東濟(jì)南250031）

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化技術(shù)；煤礦機(jī)電設(shè)備；保護(hù)方法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1　引言

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求的不斷增加，煤炭在能源領(lǐng)域的重要性愈發(fā)突出。然而，煤礦開采過程中機(jī)電設(shè)備的安全與保護(hù)問題也日益引起行業(yè)的廣泛關(guān)注。煤礦設(shè)備面臨著復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，其安全運(yùn)營不僅關(guān)系到企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)利益，也事關(guān)工作人員的生命安全與國家的能源供應(yīng)穩(wěn)定。傳統(tǒng)的煤礦設(shè)備保護(hù)方法主要依賴于人工巡檢和定期維護(hù)，這種方式不僅效率低下，而且可能因?yàn)槿藶橐蛩貙?dǎo)致安全隱患的增加。自動(dòng)化技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)，正在重新定義煤礦機(jī)電設(shè)備的保護(hù)方式。此外，傳統(tǒng)方法在檢測設(shè)備故障的響應(yīng)速度方面也存在缺陷，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)、生產(chǎn)中斷，甚至引發(fā)安全事故，給企業(yè)造成不可估量的損失。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和智能分析技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)警，不僅提高了設(shè)備的安全性，也增強(qiáng)了故障處理的及時(shí)性。因此，探索基于自動(dòng)化技術(shù)的保護(hù)方法，勢在必行。

2　煤礦機(jī)電設(shè)備工作原理分析

煤礦機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是保證煤礦企業(yè)順利生產(chǎn)的重要因素，然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，給煤礦生產(chǎn)帶來了一定的影響[1]。設(shè)備故障的原因可能是多種多樣的，例如設(shè)備長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備維護(hù)不及時(shí)、材料磨損、操作不當(dāng)?shù)取?duì)煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障分析有助于本設(shè)計(jì)確定檢測對(duì)象，從而采取有效的檢測措施。在分析設(shè)備故障時(shí)，需要了解煤礦機(jī)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理和工作情況。同時(shí)，還需要綜合考慮設(shè)備使用環(huán)境、工作強(qiáng)度、人員操作等因素[2]。

2.1　煤礦機(jī)電設(shè)備工作面流程

在分析煤礦機(jī)電設(shè)備故障現(xiàn)象之前，首先要了解綜采工作面。綜采工作面是一個(gè)綜合開采煤炭的場所，它的目的是實(shí)現(xiàn)煤炭的有效采集和安全生產(chǎn)，通過綜合開采的方法來提高煤炭的采集效率和降低生產(chǎn)成本[3]。圖1為煤礦綜采工作面流程圖，綜采工作面是井下采煤作業(yè)的第一現(xiàn)場。但由于綜采工作面工作空間狹窄且需要大量煤礦機(jī)電設(shè)備，因此在搭建系統(tǒng)之前，需要分析綜采工作面的工作流程和煤礦機(jī)電設(shè)備供電方式。在綜采工作面工作時(shí)，采煤機(jī)首先將煤炭從煤壁上切割下來，然后通過刮板輸送機(jī)將其運(yùn)輸?shù)狡扑闄C(jī)，再經(jīng)由轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶運(yùn)輸?shù)矫簜}，實(shí)現(xiàn)了采煤、破碎、裝運(yùn)的全過程[4]。

圖1  煤礦綜采工作面流程

對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)。因此，對(duì)綜采工作面的供電方式進(jìn)行分析就尤為重要[5]。

2.2　煤礦機(jī)電設(shè)備工作原理

深入了解煤礦機(jī)電設(shè)備的工作原理對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象、確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。要實(shí)現(xiàn)高效安全的煤炭回采，需要考慮設(shè)備的相互匹配以及滿足自動(dòng)化采煤系統(tǒng)的需求。三機(jī)配套（采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架）旨在為綜采工作面選型核心設(shè)備，以保證設(shè)備在空間位置和功能組合上的協(xié)調(diào)，使煤礦機(jī)電設(shè)備能夠長期穩(wěn)定的運(yùn)行，使煤礦生產(chǎn)效益最大化。正確使用煤礦機(jī)電設(shè)備，不僅可以提高煤礦的采煤效率，還可以降低煤礦的生產(chǎn)成本。為了保證煤礦機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行，煤礦的管理人員需要對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)和保養(yǎng)，以保證設(shè)備的長期使用壽命。同時(shí)，為了保障工人的安全，煤礦的管理人員需要對(duì)工人進(jìn)行專業(yè)的安全培訓(xùn)，并定期檢查設(shè)備的安全設(shè)施。由此可見，煤礦機(jī)電設(shè)備在采煤過程中的作用和重要性是不可忽視的。目前，煤礦綜采工作面所使用的主要煤礦機(jī)電設(shè)備有采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、液壓支架、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶等[6]。

3　煤礦機(jī)電設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1　保護(hù)系統(tǒng)框架

煤礦機(jī)電設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)框架主要由現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控層、傳輸層、客戶應(yīng)用層構(gòu)成。系統(tǒng)整體框架圖如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

（1）現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控層：現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控層以綜采監(jiān)控分站為核心，布置在綜采工作面開關(guān)列車處，通過監(jiān)控分站與煤礦機(jī)電設(shè)備供電開關(guān)建立通信，對(duì)綜采工作面的采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)和帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，包括電流、電壓、起停狀態(tài)以及故障狀態(tài)等。

（2）傳輸層：傳輸層將煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，建立監(jiān)控分站與各設(shè)備之間的通訊，并將數(shù)據(jù)上傳至煤礦環(huán)網(wǎng)。

（3）客戶應(yīng)用層：客戶應(yīng)用層將綜采工作面設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集到地面后，經(jīng)過上位機(jī)處理，將數(shù)據(jù)與算法結(jié)合，通過預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行異常的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，提高設(shè)備檢修效率，降低故障率。

3.2　保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道

煤礦企業(yè)網(wǎng)絡(luò)普遍采用星形加環(huán)形的配置方式。在采區(qū)中，設(shè)備完成回采任務(wù)后，需要將其搬移到采區(qū)并拆除其網(wǎng)絡(luò)。因此，采區(qū)選用星型網(wǎng)絡(luò)接線，而煤礦的主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形布置，與星型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，更加穩(wěn)定可靠。目前，現(xiàn)場總線（Fieldbus）、以太網(wǎng)和光纖通訊是主流的工業(yè)通訊方式。其中，現(xiàn)場總線通訊在工業(yè)現(xiàn)場中較為普及，且穩(wěn)定性較好。典型的通訊方式包括Profibus、CANbus和RS-485通訊。本設(shè)計(jì)將以RS-485通訊建立起綜采監(jiān)控分站與供電開關(guān)的通信。

4　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤礦機(jī)電設(shè)備保護(hù)算法

4.1　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

典型的BP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常由三層組成：輸入層、隱含層和輸出層。BP網(wǎng)絡(luò)與感知器模型不同，傳遞函數(shù)必須是可微的，不能使用感知器網(wǎng)絡(luò)中的二值函數(shù)。常用的傳遞函數(shù)包括Sigmoid型的對(duì)數(shù)、正切函數(shù)或線性函數(shù)，這些函數(shù)使BP網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)處處可微。這使得BP網(wǎng)絡(luò)能夠使用非線性超平面組成的區(qū)域進(jìn)行分類，從而產(chǎn)生比線性劃分更加精確的結(jié)果，容錯(cuò)性也更好。

4.2　訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)算法模型流程

在MATLAB中訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)算法模型的過程如下：

（1）載入數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由泰安眾誠自動(dòng)化設(shè)備股份有限公司提供，經(jīng)過小波包處理后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)絡(luò)輸入變量P中，然后輸入與其維數(shù)相等的目標(biāo)變量T。本次訓(xùn)練共有100組輸入變量以及與其維數(shù)相等的目標(biāo)變量。在目標(biāo)變量中，我們對(duì)三相電壓不平衡、轉(zhuǎn)子偏心、轉(zhuǎn)子斷裂、電機(jī)正常四種信號(hào)進(jìn)行編號(hào)。

（2）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。首先在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置中，將輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為2、隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為5和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為1。其次是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，將訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1000、學(xué)習(xí)速率設(shè)置為0.01和訓(xùn)練目標(biāo)最小誤差設(shè)置為0.001。

（3）開始訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后查看本次訓(xùn)練狀態(tài)，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)本次訓(xùn)練在第24輪得到最佳狀態(tài)。查看訓(xùn)練結(jié)果，本次訓(xùn)練取得預(yù)期效果。

（4）驗(yàn)證真實(shí)值與預(yù)測值的誤差。通過使用與訓(xùn)練數(shù)據(jù)不同的測試數(shù)據(jù)，評(píng)估已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能。測試數(shù)據(jù)應(yīng)該是具有代表性的，并且涵蓋了訓(xùn)練數(shù)據(jù)中未曾包含的各種情況。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)模型優(yōu)化完成后，利用構(gòu)建的數(shù)據(jù)集對(duì)模型重新訓(xùn)練并測試模型的性能，采用TensorFlowgpu-2.2.0深度學(xué)習(xí)框架搭建算法，利用動(dòng)量梯度下降法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)中模型表現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練超參數(shù)進(jìn)行了更改，初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.001，batchsize數(shù)量為32，Epoch設(shè)置為300，動(dòng)量參數(shù)設(shè)置為0.9，權(quán)重衰減設(shè)置為0.0005。為避免發(fā)生過擬合現(xiàn)象，引入學(xué)習(xí)率衰減機(jī)制，當(dāng)epoch達(dá)到200時(shí)，學(xué)習(xí)率降低為原本數(shù)值的十分之一。驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1  驗(yàn)證結(jié)果

從表1可以看出，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測試數(shù)據(jù)上取得了預(yù)期的效果。這個(gè)結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)上都能夠表現(xiàn)出良好的性能和預(yù)測能力。

6　結(jié)論

本研究通過對(duì)基于自動(dòng)化技術(shù)的煤礦機(jī)電設(shè)備保護(hù)方法的探討，不僅揭示了此方法在設(shè)備保護(hù)方面的創(chuàng)新性和實(shí)用性，還為煤礦行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。希望本研究能夠?yàn)槲磥砻旱V機(jī)電設(shè)備的智能化管理提供一種可行的解決方案，為實(shí)現(xiàn)安全、高效、可持續(xù)的煤礦開采奠定基礎(chǔ)。

作者簡介：

葉鵬飛（1987-），男，河南濟(jì)源人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，研究方向?yàn)槊禾抗こ坦こ碳夹g(shù)。

徐　強(qiáng)（1992-），男，江蘇南通人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，研究方向?yàn)槊禾抗こ虣C(jī)電。

韋紅洋（1992-），男，山東濟(jì)寧人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，研究方向?yàn)楣こ贪踩?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]韓寧.煤礦機(jī)電設(shè)備保護(hù)措施分析[J].能源與節(jié)能,2024,(7):237-239.

[2]李凌燕.煤礦電氣設(shè)備與供電系統(tǒng)保護(hù)研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì),2024,(13):16-18.

[3]陳仲波.煤礦機(jī)電設(shè)備與供電系統(tǒng)的保護(hù)方法探討[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì),2024,(10):45-47.

[4]李忠奎,吳文臻,張子良,等.煤礦井下機(jī)電設(shè)備保護(hù)和動(dòng)作特性試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究[J].煤炭工程,2023,55(4):187-192.

[5]李樂.初探煤礦機(jī)電設(shè)備以及供電系統(tǒng)保護(hù)[J].中國科技投資,2021,(3):173-174.

[6]郭繼輝.煤礦井下電氣設(shè)備保護(hù)與維修工作分析[J].當(dāng)代化工研究,2020,(19):135-136.

摘自《自動(dòng)化博覽》2025年3月刊