劉慶禮張西坤宮如剛
(1.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊 河北邯鄲 056000)
(2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司鉆探機(jī)械廠 河北石家莊 050031)
(3.東北煤田地質(zhì)局103勘探隊 遼寧遼陽 111000)
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)系統(tǒng)的研究
劉慶禮1張西坤2宮如剛3
(1.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊 河北邯鄲 056000)
(2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司鉆探機(jī)械廠 河北石家莊 050031)
(3.東北煤田地質(zhì)局103勘探隊 遼寧遼陽 111000)
本文論述了鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理和維護(hù)系統(tǒng)的目的意義、國內(nèi)現(xiàn)狀,介紹了野外鉆探施工機(jī)械故障診斷及維護(hù)技術(shù)的特點(diǎn),具體分析了鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程控制技術(shù)的原理、應(yīng)用過程、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn),并提出了進(jìn)一步研究方向的意見和建議。
鉆探設(shè)備 遠(yuǎn)程管理 故障診斷
近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,煤田地質(zhì)鉆探勘察項目,由原來的孔深1200m逐步加深到1500~2500m,建設(shè)單位對工程的施工工期,施工進(jìn)度,施工質(zhì)量等提出了更高的要求。對于那些工程量大,工期緊,工程質(zhì)量要求十分嚴(yán)格的煤田地質(zhì)鉆探勘察工程項目,必然要用現(xiàn)代化程度很高的施工機(jī)械設(shè)備來完成。
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)技術(shù),就是通過設(shè)備動態(tài)監(jiān)測、診斷技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,在施工機(jī)械設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn),采集鉆機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù);而在技術(shù)力量較強(qiáng)的基地內(nèi)(隊部)建立技術(shù)服務(wù)中心,對鉆機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析診斷,指導(dǎo)現(xiàn)場人員排除故障及保養(yǎng)。遠(yuǎn)程設(shè)備管理與維護(hù)的實現(xiàn),可以使鉆機(jī)管理更加科學(xué)合理。也能實現(xiàn)資源共享,如與兄弟單位會診,鉆具、沖洗液的監(jiān)測等。
鉆探設(shè)備對工程施工起著決定性的作用。然而,由于鉆探設(shè)備是露天作業(yè),工作環(huán)境十分惡劣,施工工況極其復(fù)雜多變,故障頻繁,鉆探施工生產(chǎn)的特性決定了它們工作在各個工地上,分散性大,流動性強(qiáng),現(xiàn)場人員技術(shù)水平有限,給鉆機(jī)的科學(xué)管理及故障的及時排除帶來了很大困難。尤其近年來隨著施工規(guī)模日益龐大,現(xiàn)代化的鉆探施工設(shè)備也日趨大型化、連續(xù)化、機(jī)電一體化,其性能與復(fù)雜程度不斷提高,對鉆機(jī)故障的診斷也更為復(fù)雜??總鹘y(tǒng)的填寫值班日志、靠參數(shù)越限報警等人工或半自動化的方法來維護(hù)機(jī)械設(shè)備既落后,又不客觀,而且只能做事后分析。這種陳舊的鉆機(jī)維護(hù)模式,無論是數(shù)據(jù)的可靠性或?qū)崟r性,還是鉆機(jī)的維護(hù)質(zhì)量均無法滿足要求,導(dǎo)致施工機(jī)械在施工過程中停機(jī)多,檢修時間長,嚴(yán)重影響到工程的進(jìn)度和質(zhì)量。所以,為了保持處于異地的煤田地質(zhì)鉆探勘察施工鉆機(jī)良好的技術(shù)狀態(tài),將異地的鉆機(jī)動態(tài)信息協(xié)調(diào)起來,對于施工設(shè)備管理,進(jìn)行實時診斷和維護(hù)是很必要的,建立遠(yuǎn)程設(shè)備管理及維護(hù)系統(tǒng)是解決問題的很好的方法。
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)系統(tǒng)作為一個新興而特殊的行業(yè),隨著現(xiàn)代維修理論、相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科理論和各種檢查技術(shù)、工藝手段的不斷發(fā)展而發(fā)展和完善。它有以下幾個主要要素:
(1)目標(biāo)要素
診斷的目的就是要確定鉆場中鉆機(jī)、泥漿泵、動力機(jī)組、鉆塔、鉆具等主要設(shè)備的運(yùn)行狀況、檢查故障部位、分析故障產(chǎn)生的原因和制定經(jīng)濟(jì)有效的維修方案。
(2)技術(shù)要素
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)系統(tǒng)需多方面的理論、業(yè)務(wù)知識,診斷及維修涉及摩擦學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多種學(xué)科;包括機(jī)械制造、金屬結(jié)構(gòu)、液壓、電氣和自動化等相關(guān)專業(yè);需采用機(jī)械加工、焊接、鑄造、熱處理、表面處理等多種工藝手段;要掌握維修理論,機(jī)構(gòu)學(xué)及經(jīng)營管理等多方面知識。
(3)環(huán)境要素
鉆探設(shè)備工作環(huán)境惡劣,鉆機(jī)的運(yùn)行在野外,工作在溫差大、日曬雨淋、風(fēng)沙、腐蝕的環(huán)境下,同時現(xiàn)場技術(shù)人員水平參差不齊。
(4)時效要素
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)的效果驗證及時。一切診斷方法和維修技術(shù)都以機(jī)械的實際狀況為基礎(chǔ),處理結(jié)果很快得到實踐驗證。
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理和維護(hù)的主要內(nèi)容是鉆機(jī)故障診斷技術(shù),鉆機(jī)的故障診斷包括故障監(jiān)測與故障診斷,通常合在一體統(tǒng)稱為故障監(jiān)測和診斷。
通常我們說鉆機(jī)工作正常是指它具備應(yīng)有的原設(shè)計功能,沒有任何缺陷,能夠滿足正常鉆探施工的需要。鉆機(jī)工作異常是劣化的一種表現(xiàn)形式,它又分為兩種情況,一種是因維護(hù)不到位造成,一種是因磨損、污染等造成。它是故障的前奏,如果繼續(xù)使用,劣化將進(jìn)一步發(fā)展,使鉆機(jī)狀態(tài)發(fā)生變化,性能惡化。鉆機(jī)故障則是劣化發(fā)展到使鉆機(jī)性能和功能都有所喪失的程度。
鉆機(jī)的異?;蚬收鲜窃阢@機(jī)運(yùn)行中通過其狀態(tài)信號變化反映出的。由于監(jiān)測與故障診斷是在不停機(jī)的情況下進(jìn)行的,因此必然以狀態(tài)信號為依據(jù)。狀態(tài)信號是鉆機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的各種物理的、化學(xué)的現(xiàn)象。如振動、噪聲、溫升、油耗、變形、功耗、磨損、氣味等,這些都是鉆機(jī)運(yùn)行所固有的。監(jiān)測與診斷就是要快速、準(zhǔn)確地提取鉆機(jī)運(yùn)行時狀態(tài)信號所反映的特征。
主要是測取與鉆機(jī)運(yùn)行有關(guān)的狀態(tài)信號。狀態(tài)信號是故障信息的唯一載體,也是診斷的唯一依據(jù)。因此在狀態(tài)監(jiān)測中及時、準(zhǔn)確地獲取狀態(tài)信號是十分重要的。
鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號的獲取主要是依靠傳感器或其它監(jiān)測手段進(jìn)行故障信號的檢測。檢測中主要有以下幾個過程:
(1)信號測取:主要是通過儀表或傳感器組成的探測頭直接感知鉆機(jī)參數(shù)的變化;
(2)中間變換:主要完成由探測頭取得的信號的變換和傳輸;
(3)數(shù)據(jù)采集:就是把中間變換的連續(xù)信號進(jìn)行離散化過程。數(shù)據(jù)是診斷的基礎(chǔ),能否采集到足夠長的客觀反映鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息,是診斷成敗的關(guān)鍵。
特征提取就是從狀態(tài)信號中提取與鉆機(jī)運(yùn)行有關(guān)的特征信息,加載到數(shù)據(jù)采集器中。
故障診斷就是根據(jù)所提取的特征判別狀態(tài)有無異常,并根據(jù)此信息和其它補(bǔ)充測試的輔助信息尋找故障源。
根據(jù)鉆機(jī)運(yùn)行的特征狀態(tài),預(yù)測故障發(fā)展趨勢,并根據(jù)故障性質(zhì)和趨勢,做出決策,干預(yù)其工作過程(包括控制、調(diào)整、維修等)。
鉆機(jī)診斷是利用被診斷的鉆機(jī)提供的一切有用信息,經(jīng)過分析處理以獲得最能識別鉆機(jī)狀態(tài)的特征參數(shù),以便做出正確的診斷結(jié)論。鉆機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生多種信息,當(dāng)其功能逐漸劣化時,就出現(xiàn)相應(yīng)的異常信息,如鉆機(jī)的狀態(tài)變化而產(chǎn)生的異常振動、噪聲、溫度等機(jī)械信號;鉆機(jī)劣化過程產(chǎn)生的磨損微粒、油液及氣體成分變化的化學(xué)信號等。利用檢測儀器對最敏感的故障特征信號進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,做出正確的分析和診斷,可以及時預(yù)測鉆機(jī)可能發(fā)生的故障。
傳感器安裝在鉆機(jī)上,以傳遞溫度、壓力、振動、變形等信號,這些信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號,輸入到信號處理裝置,在信號處理裝置中將輸入的診斷信號與預(yù)先儲存在系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較,標(biāo)準(zhǔn)信號是根據(jù)事先積累的大量數(shù)據(jù)資料和實際經(jīng)驗分析歸納而制定出來的判定標(biāo)準(zhǔn),是鉆機(jī)各種參數(shù)的允許值。通過比較做出判斷,確定故障的部位和原因,預(yù)測可能發(fā)生的故障。
由于鉆探設(shè)備故障的多樣性、突發(fā)性、成因的復(fù)雜性和進(jìn)行故障診斷所需要的知識對領(lǐng)域?qū)<覍嵺`經(jīng)驗和診斷策略的依賴性;動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)能通過自身的學(xué)習(xí)機(jī)能建立故障征兆和故障模式之間的復(fù)雜映射關(guān)系,可以進(jìn)行多因素預(yù)測。因此,基于鉆探設(shè)備自身的工作特性和動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)的優(yōu)越性,提出了如圖1所示野外鉆探施工機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)。
系統(tǒng)通過動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線分析和推理,對鉆機(jī)的工況及相關(guān)信息做出相應(yīng)評價;還可以通過電話線、無線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程單元相連,以便在異地獲取鉆機(jī)工況及其性能信息,并據(jù)此做出評價,給出具體的維修策略與預(yù)防措施,對故障進(jìn)行及時的修復(fù)和預(yù)防,確保鉆機(jī)始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。
圖1 遠(yuǎn)程施工機(jī)械管理系統(tǒng)
設(shè)備巡檢監(jiān)測、診斷與管理軟件功能:通過設(shè)備巡檢儀(DH5904Ex)和工藝巡檢儀(DH5904Exb)獲得生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的和工藝的各種信息,經(jīng)《監(jiān)測、診斷與管理軟件(簡稱DHPMA系統(tǒng))》,把指揮總部、每一運(yùn)行部門、每一單元、每一設(shè)備、每一測點(diǎn)、每一工藝系統(tǒng)當(dāng)前的和歷史的狀態(tài)信息及各種統(tǒng)計報表呈獻(xiàn)給指揮總部相關(guān)人員,為各級管理人員作出科學(xué)的決策提供可靠的依據(jù)。
表1 鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)系統(tǒng)配置清單
主要模塊包括:巡檢、診斷、管理三大模塊。巡檢包括巡檢設(shè)置和監(jiān)測報警。巡檢設(shè)置包括建立組態(tài),建立指揮中心、運(yùn)行部、單元、設(shè)備、測點(diǎn)、工藝區(qū)域、工藝巡檢點(diǎn)的組態(tài);其中設(shè)備測點(diǎn)的組態(tài)包括:顯示參數(shù)(加速度、速度、位移可選一、選二、選三)、采樣頻率(最高10kHz)、譜線數(shù)(最高 1600線);監(jiān)測報警包括對振動、溫度、手抄、觀察量(可定量描述的觀察量)作出趨勢圖,超限報警;診斷是對振動數(shù)據(jù)提供波形、頻譜、瀑布圖、綜合分析、具有數(shù)據(jù)導(dǎo)航功能(綜合分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)航是東昊獨(dú)有的功能);管理是對指揮中心、各運(yùn)行部、各單元等進(jìn)行泄漏率、完好率、運(yùn)行率的統(tǒng)計;設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的統(tǒng)計包括運(yùn)行、報警(報警時間、報警原因)、備用、檢修(檢修時間、檢修你負(fù)責(zé)人)等狀態(tài)的統(tǒng)計,故障類型、故障原因的統(tǒng)計,主要備件質(zhì)量的統(tǒng)計,檢修質(zhì)量的統(tǒng)計,巡檢質(zhì)量(巡檢到位、漏檢、違規(guī)等)統(tǒng)計。
表2 常見圖譜
圖2和圖3為診斷圖譜示例。
圖2 振動時間波形與頻譜
圖3 瀑布圖顯示
1)DH5904巡檢儀功能
DH5904設(shè)備巡檢儀是針對數(shù)量眾多的普通轉(zhuǎn)動設(shè)備(如各種類型的泵、電機(jī)、風(fēng)機(jī)等)進(jìn)行定期巡檢、數(shù)據(jù)采集而設(shè)計的巡檢儀,同時具有工藝巡檢的功能,是一款根據(jù)巡檢需求、集當(dāng)今狀態(tài)監(jiān)測、電子技術(shù)、計算機(jī)及通訊領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)而設(shè)計的一款性能優(yōu)越的巡檢儀。DH5904設(shè)備巡檢儀有如下功能:
圖4 軸承特征頻率計算模塊、軸承庫
(1)振動巡檢:由上位機(jī)選擇顯示振動加速度、速度或位移三者之一,也可以同時顯示其中兩個或三個參數(shù);
(2)溫度巡檢:內(nèi)置紅外測溫模塊,溫度測量范圍:-20~360℃;
(3)手抄功能:方便地記錄現(xiàn)場設(shè)備安裝的各類表計讀數(shù)信息;
(4)觀察量記錄:可以將現(xiàn)場五官感受到的設(shè)備信息記錄在巡檢儀中(跑、冒、滴、漏等狀態(tài)信息等);
(5)泄漏點(diǎn)記錄:任何狀態(tài)下按一個鍵(固定鍵)進(jìn)入漏點(diǎn)記錄功能,數(shù)據(jù)回收后系統(tǒng)自動統(tǒng)計泄漏率;
(6)圖譜顯示:巡檢完成后,顯示振動趨勢圖(最多顯示前16次振動值的趨勢)、時間波形或頻譜圖(由用戶選擇)。
2)DH5904巡檢儀技術(shù)指標(biāo)(見表3)。
表3 DH5904巡檢儀技術(shù)指標(biāo)
知識密集型智能工具,動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)可以隨時對鉆機(jī)工況進(jìn)行跟蹤,獲取和分析鉆機(jī)及其周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)??梢詢Υ嬷饕考臓顟B(tài)“軌跡”。一旦發(fā)生失效,診斷服務(wù)中心的專家可以讀取儲存器內(nèi)容,獲取需要時間段的工況信息,迅速確定故障,并指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員給予及時修復(fù)。當(dāng)鉆機(jī)出現(xiàn)新的故障時,通過動態(tài)信號測試分析軟件不斷調(diào)整、增加分析內(nèi)容,以提高故障的正確檢查率,減低漏報率和誤報率。這些基于知識的信息同樣可以為其他的用戶所共享。
遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行協(xié)作診斷和維護(hù),及時排除故障。
通過遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng),可以積累更多的機(jī)械運(yùn)行的故障工況,由此,從各遠(yuǎn)程鉆探現(xiàn)場獲取的故障情況中,可以開發(fā)更好的診斷分析方法。
不同地點(diǎn)的專家可以訪問服務(wù)器中存放的有效信息,因此,分散在各遠(yuǎn)程鉆探施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù),可以集成起來完成更復(fù)雜的協(xié)作診斷。
例如在線的鉆探現(xiàn)場機(jī)械運(yùn)行的傳感數(shù)據(jù),故障發(fā)生初始、性能下降的歷史數(shù)據(jù)等。
在線傳感是遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ),由于機(jī)器及其所處環(huán)境的復(fù)雜性,可能要用到各種類型傳感器。一個機(jī)器故障(例如軸失衡)的出現(xiàn)會引發(fā)不同的征兆(例如振動、溫度變化、電機(jī)負(fù)荷變化等),這些可由不同的傳感器(例如加速度計、熱電藕、電機(jī)電流等)測量獲取。因此需要有多種數(shù)據(jù)采集協(xié)議的支撐。同樣,一個傳感器也可以感知同時發(fā)生的不同故障,并且當(dāng)運(yùn)行條件發(fā)生變化時,其靈敏度也會不同。因此,傳感信息融合的自適應(yīng)能力是非常重要的,這樣將有利于提高診斷策略的可靠性。此外,還需要研究面向目標(biāo)的傳感器優(yōu)化布置策略,通過實現(xiàn)知識與經(jīng)驗的共享和學(xué)習(xí),實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷中的上述技術(shù)。隨著遠(yuǎn)程服務(wù)活動的擴(kuò)展,將會有更多的鉆機(jī)/過程連接到遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)上,因此應(yīng)該致力于開發(fā)用于傳感系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的綜合工具。
對于遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng),在目前的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)條件下,大量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過程比較慢,必須采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和取舍,隨著信息化技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)將得到完善。
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理和維護(hù)系統(tǒng)使鉆機(jī)維修從傳統(tǒng)的按時維修及故障維修轉(zhuǎn)換到預(yù)報及主動維修方式;而建立在對鉆機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷的基礎(chǔ)上的野外鉆探施工機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)系統(tǒng),能較準(zhǔn)確地診斷出故障發(fā)生的時間和部位,從而及時確定維修時間及內(nèi)容。
鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理和維護(hù)系統(tǒng)目前還處于發(fā)展初期,還有很多問題尚待解決,這包括故障診斷技術(shù)本身要解決的問題及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問題。但是,無論是從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā),還是從整個施工來考慮,借助網(wǎng)絡(luò),準(zhǔn)確、及時、有效地實現(xiàn)野外鉆探施工機(jī)械遠(yuǎn)程故障診斷的方法都值得關(guān)注和研究。綜上所述,鉆探設(shè)備遠(yuǎn)程管理及維護(hù)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)在主要鉆探鉆機(jī)上建立狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn),采集鉆機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù);由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行分析診斷,提出合理的保養(yǎng)修理方案,遠(yuǎn)距離管理鉆機(jī)的能力得到了加強(qiáng)。
(2)建立鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,預(yù)測鉆機(jī)故障,提前制定檢修計劃。
(3)隊部建立指揮中心,遠(yuǎn)距離指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員維護(hù),保養(yǎng),修理鉆機(jī)。技術(shù)服務(wù)中心指導(dǎo)現(xiàn)場人員科學(xué)地保養(yǎng),合理地排除故障。
(4)鉆場與鉆場之間、鉆場與技術(shù)服務(wù)中心之間可進(jìn)行資源共享。
(5)將檢修過程制成軟件,以專業(yè)聲畫軟件,作為指導(dǎo)、教學(xué)、培訓(xùn)使用。
1 孫松堯.鉆井機(jī)械[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003
2 郭紹什.鉆探手冊[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993
3 曾偉東.如何正確認(rèn)識和開展施工企業(yè)工程機(jī)械設(shè)備管理.建筑機(jī)械技術(shù)與原理,2005(2)
4 方俊等.鉆參儀參數(shù)檢測原理及傳感器選型安裝.探礦工程(巖土鉆鑿工程),2010(4)
5 李忠.基于PDA和藍(lán)牙的無纜鉆孔測斜儀.探礦工程(巖土鉆鑿工程),2010(5)
2010年7月19日)