礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究

金翠平

（西山煤電設(shè)備租賃公司，山西 太原 030020）

引言

礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，一方面，通風(fēng)機(jī)向環(huán)境閉塞的井下輸送新鮮空氣，保障人員安全工作和設(shè)備安全運(yùn)行，另一方面，通風(fēng)機(jī)還能凈化井下的粉塵和瓦斯等有害氣體，調(diào)節(jié)井下的溫度和濕度，對(duì)煤礦的安全運(yùn)行具有重要意義。目前雖然礦井通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)中系統(tǒng)關(guān)于電機(jī)狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，但是由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)存在功能不完善、數(shù)據(jù)利用率低和通信系統(tǒng)集程度不高等問(wèn)題，因此研究一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 礦井主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

主通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心，對(duì)井下溫度、濕度和風(fēng)速的調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用。根據(jù)風(fēng)機(jī)工作時(shí)風(fēng)流方向的不同，主通風(fēng)機(jī)有軸流式和離心式兩種[1]，二者在結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行特性方面均有所不同，離心式通風(fēng)機(jī)多用于風(fēng)量變化大、風(fēng)阻變化小的通風(fēng)系統(tǒng)中，多機(jī)并聯(lián)時(shí)工作性能好，軸流式通風(fēng)機(jī)多用于風(fēng)阻變化大、風(fēng)量變化小的通風(fēng)系統(tǒng)中，一般不適合多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

礦井主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠打印報(bào)文，調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)連接大屏監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與主站通訊。主站與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)控制柜通過(guò)RS485 進(jìn)行通信，獲取風(fēng)機(jī)與控制柜的相關(guān)信息，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中顯示，并上傳至以太網(wǎng)交換機(jī)。

兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的主電路接線方式如圖2 所示[2-3]，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)MA1、MA2 接線方式相同，每臺(tái)風(fēng)機(jī)分別有兩種控制方式，工頻供電方式和變頻控制方式，電機(jī)通過(guò)兩臺(tái)交流接觸器分別接入工頻交流饋電線或變頻器。QA0 和FA 分別為主線路隔離開關(guān)和熔斷器。

圖1 礦井主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的主電路接線圖

2 主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

PLC 控制器與通風(fēng)機(jī)上位機(jī)的關(guān)系圖如下頁(yè)圖3 所示，變頻器型號(hào)選擇西門子S7-300 系列[4]，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的邏輯控制、輸入輸出的邏輯閉鎖保護(hù)，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集處理等。變頻器通過(guò)溫度傳感器、流量傳感器、振動(dòng)傳感器、壓力傳感器、啟停傳感器、綜保裝置和變頻器與通風(fēng)機(jī)或配套電機(jī)連接，并且通過(guò)上位機(jī)與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)和打印機(jī)相連接。

圖3 PLC 控制器與通風(fēng)機(jī)上位機(jī)的關(guān)系圖

監(jiān)測(cè)參數(shù)的確定和參數(shù)選型是主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過(guò)調(diào)研實(shí)際工作中主通風(fēng)機(jī)常見的故障及其特征表現(xiàn)，總結(jié)出本系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)為振動(dòng)、溫度、風(fēng)量、壓力、電機(jī)啟停和各種電壓電流等電參量。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是基于PLC 控制器的，通過(guò)監(jiān)測(cè)的不同數(shù)據(jù)，PLC 執(zhí)行不同的程序，能夠控制主通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、自動(dòng)方式運(yùn)行和反風(fēng)控制。

2.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)與傳感器選型

1）振動(dòng)監(jiān)測(cè)。轉(zhuǎn)子故障是通風(fēng)機(jī)常見的故障類型之一，常見的有轉(zhuǎn)子摩擦、不平衡、不對(duì)中等，轉(zhuǎn)子故障大部分都表現(xiàn)為軸承座上各種形式的振動(dòng)，因此監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承座振動(dòng)是必要的。用螺絲將垂直、水平振動(dòng)傳感器分別安裝于風(fēng)機(jī)軸承前后，能夠監(jiān)測(cè)軸承的振動(dòng)，間接反應(yīng)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)。電磁感應(yīng)原理指出：在磁場(chǎng)強(qiáng)度B 中運(yùn)動(dòng)的閉合導(dǎo)體（導(dǎo)體有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)）會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，存在式（1）關(guān)系[5]。振動(dòng)傳感器選擇湯姆斯公司的TMS-HZD 一體化振動(dòng)傳感器，這款傳感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理將振動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其工作電源為直流24 V，最大靈敏度可達(dá)20 mV/（mm·s-1）×（1±5%），信號(hào)輸出4～20 mA 電流，工作環(huán)境溫度大可達(dá)95 ℃。

2）溫度監(jiān)測(cè)。通風(fēng)機(jī)的軸承和電機(jī)定子是最容易發(fā)生過(guò)熱的部位，一旦通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載將會(huì)導(dǎo)致其燒毀，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)軸承溫度和定子溫度。格樂(lè)普高公司生產(chǎn)的PT100 是一種基于鉑熱電阻的熱電偶溫度傳感器，其電阻值隨著溫度的升高線性上升，當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)其阻值為100 Ω，當(dāng)環(huán)境溫度為100 ℃時(shí)其阻值上升到138.5 Ω，根據(jù)此關(guān)系，把溫度變化反應(yīng)為電參量的變化[6-7]。

3）風(fēng)量監(jiān)測(cè)。大型風(fēng)機(jī)一般采用皮托靜壓管橫動(dòng)法監(jiān)測(cè)風(fēng)量，為避免流場(chǎng)不均勻而引起的測(cè)量誤差，需要對(duì)同一截面進(jìn)行數(shù)次測(cè)量，人工測(cè)試工作量大。采用分體式組合動(dòng)壓管法能夠自動(dòng)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，一次獲得測(cè)試截面的平均壓差和靜壓。

4）壓力監(jiān)測(cè)。通風(fēng)機(jī)管道的靜壓和全壓在原理上相同，在風(fēng)機(jī)的入口鉆孔取壓，通過(guò)壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。采用JYBDWA 型微差壓傳感器，將靜壓、全壓、動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中全壓P等于靜壓PJ與動(dòng)壓Pd之代數(shù)和。

5）電機(jī)啟停監(jiān)測(cè)。礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和停止?fàn)顟B(tài)是最基本的監(jiān)測(cè)參數(shù)，PLC 通過(guò)監(jiān)測(cè)專用測(cè)試電纜的電磁感應(yīng)判斷是否有工作電流，從而間接判斷出通風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)。采用SG4KGT9 型開停傳感器，能夠?qū)⒔涣黩?qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送給控制器。這款傳感器為本質(zhì)安全型，輸入工作電壓為直流8～24 V，采用新型抗干擾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)新穎、安裝使用方便、功耗低等特點(diǎn)，可以測(cè)量外徑16～80 mm 的橡套、鋼網(wǎng)或鎧裝電纜[8]。

6）電參量信號(hào)監(jiān)測(cè)。電參量指的是風(fēng)機(jī)電機(jī)或高壓開關(guān)的電壓、電流、功率等，高壓開關(guān)的綜合保護(hù)裝置都具有電參量檢測(cè)和線路保護(hù)功能，因此在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不必專門設(shè)置電參量信號(hào)監(jiān)測(cè)硬件裝置，可以通過(guò)高壓開關(guān)的線路保護(hù)裝置間接獲取。

2.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

標(biāo)準(zhǔn)版的STEP 7 支持梯形圖、語(yǔ)句表和功能圖編程，并且可以在三者之間轉(zhuǎn)換，專業(yè)版還具有更多編程語(yǔ)言功能，不同編程習(xí)慣、不同知識(shí)背景的開發(fā)人員可以選擇不同的編程語(yǔ)言，對(duì)匯編語(yǔ)言熟悉的開發(fā)者適用語(yǔ)句表編程，對(duì)數(shù)字電路和控制邏輯熟悉的開發(fā)者適用功能圖編程，梯形圖最為直觀，上手較容易，是一種應(yīng)用較多的編程語(yǔ)言，因此推薦使用梯形圖編輯PLC 程序。

根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不同階段和不同功能，監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件按照模塊進(jìn)行程序劃分。根據(jù)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)的順序要求，編制通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序流程圖如圖4 所示，軸流式通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)方式為：?jiǎn)?dòng)前關(guān)閉井下風(fēng)門，打開地面風(fēng)門；啟動(dòng)后打開井下風(fēng)門，關(guān)閉地面風(fēng)門。以1 號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)為例，2 號(hào)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)與此類似。程序中啟動(dòng)1 號(hào)電機(jī)后延時(shí)30 s 再啟動(dòng)2 號(hào)電機(jī)，目的是避免兩個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大，引起電力系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作。

圖4 1 號(hào)主通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程圖

除風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序外，軟件部分還包括風(fēng)機(jī)倒換自動(dòng)控制方式程序、風(fēng)機(jī)反風(fēng)控制程序等。當(dāng)通風(fēng)機(jī)由于某種原因突然故障，通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)需通過(guò)倒換自動(dòng)控制方式進(jìn)行正常通風(fēng)，保障礦井正常生產(chǎn)。對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)能夠在沒(méi)有反風(fēng)通道時(shí)，單憑電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)反向送風(fēng)，反風(fēng)操作時(shí)各風(fēng)門保持原狀，等電機(jī)完全停止后進(jìn)行反轉(zhuǎn)操作，1 號(hào)電機(jī)和2 號(hào)電機(jī)反風(fēng)時(shí)間需相隔一段時(shí)間。

3 主通風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)

目前由于我國(guó)對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)還不是很完善，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)控人員獲取當(dāng)前通風(fēng)機(jī)的工作情況，為檢修等工作提供參考依據(jù)，并不能直接判斷出當(dāng)前的故障類型。通風(fēng)系統(tǒng)故障診斷方法主要有兩種設(shè)計(jì)思路，一種是針對(duì)局部通風(fēng)系統(tǒng)的方法，另一種是基于通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體的方法。

1）針對(duì)局部通風(fēng)系統(tǒng)的故障診斷方法。這種方法首先需要建立遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷模型，結(jié)合其他算法和數(shù)據(jù)處理方法例如粗糙集—遺傳算法，建立局部通風(fēng)系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)，研究對(duì)象局限于局部通風(fēng)系統(tǒng)。

2）基于通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體的故障診斷方法。這類故障診斷技術(shù)基于線性回歸分析方法或RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，并結(jié)合故障樹，通過(guò)確定故障樹的故障源分支集合或風(fēng)量和風(fēng)阻的映射關(guān)系，推理出故障位置和發(fā)生故障的原因[9]。

綜上所述，主通風(fēng)機(jī)故障診斷技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)風(fēng)量變化，推理出通風(fēng)機(jī)故障位置和破壞程度，故障診斷技術(shù)需要在建立故障模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)大量運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷驗(yàn)證，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，不斷完善監(jiān)控預(yù)警診斷專家系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，能夠?qū)ΦV井主通風(fēng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出警報(bào)并啟動(dòng)備用通風(fēng)機(jī)，起到了保護(hù)主通風(fēng)機(jī)的作用。

2）工作人員通過(guò)故障診斷技術(shù)，可準(zhǔn)確定位故障部位，為檢修工作提供了便利，實(shí)現(xiàn)了礦井主通風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，初步奠定了通風(fēng)機(jī)房無(wú)人值守的技術(shù)基礎(chǔ)。

3）礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，對(duì)井下人身和設(shè)備的安全提供了保障，并能夠發(fā)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷和故障，為檢修人員提供依據(jù)。