礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的研究

陳寶林

（山西省呂梁市中陽(yáng)縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033499）

礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，當(dāng)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障后必須停機(jī)檢修，因此對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷非常必要。針對(duì)這一情況，應(yīng)用智能控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及故障診斷技術(shù)開(kāi)發(fā)了礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)[1-6]。

1 礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)思路

（1）建立礦井主通風(fēng)機(jī)智能變頻控制與故障診斷決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、決策支持、綜合管理等功能。

（2）根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、礦井通風(fēng)要求，產(chǎn)生控制命令，采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)迅速響應(yīng)控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制。

（3）根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)，迅速評(píng)估設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，提供故障原因分析、故障解決方案等，并給出相應(yīng)檢修工作計(jì)劃。

這三個(gè)方面層層遞進(jìn)，全面系統(tǒng)解決了礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控與故障診斷的一系列關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了礦井通風(fēng)機(jī)安全、連續(xù)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，主要是由監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。

圖1 礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為上下位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)配置有PLC，是監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集和通訊；傳感器有溫濕度傳感器、煙霧傳感器和風(fēng)量傳感器，采集這些傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)的采集和通訊裝置。上位機(jī)包括主通風(fēng)機(jī)控制室的控制臺(tái)監(jiān)控主機(jī)和機(jī)電隊(duì)監(jiān)控室的監(jiān)控主機(jī)兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，并且上位機(jī)采用MCGS 軟件進(jìn)行組態(tài)，能夠?qū)⑾挛粰C(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)還能進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)警等功能，能夠與下位機(jī)進(jìn)行通信，從而可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 設(shè)備運(yùn)行管理功能

設(shè)備狀態(tài)參數(shù)顯示：振動(dòng)幅值、電機(jī)電流、當(dāng)前負(fù)荷、溫度等。

主界面顯示：設(shè)備運(yùn)行動(dòng)畫(huà)、各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

歷史參數(shù)查詢：可按給定時(shí)間段顯示上述參數(shù)，支持多種顯示形式（列表、曲線等）同時(shí)提供報(bào)警歷史查詢和事故追憶。

報(bào)警：一旦參數(shù)超限，提供聲光報(bào)警。

控制方式切換：依托礦井綜合自動(dòng)化數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在通風(fēng)系統(tǒng)中引入氧氣濃度、井下風(fēng)速、采掘工作面溫度等重要參數(shù)，提供參數(shù)的趨勢(shì)圖，為控制方式的選擇以及風(fēng)量的確定提供參考。提供了開(kāi)環(huán)、單回路閉環(huán)、串級(jí)閉環(huán)三種控制方式的選擇。其中，開(kāi)環(huán)控制提供變頻器頻率設(shè)定功能，直接控制通風(fēng)量。

2.2 設(shè)備故障管理功能

（1）信號(hào)分析。信號(hào)分析顯示對(duì)振動(dòng)信號(hào)的多種分析結(jié)果，主要有以下幾點(diǎn)。① 寸域分析：波形、幅值、軸心軌跡、軸心位置、軸系運(yùn)動(dòng)仿真；② 小波變換頻域分析：頻譜、相位、瀑布圖、濾波分析、細(xì)化譜、倒頻譜、包絡(luò)分析；③ 趨勢(shì)分析和相關(guān)趨勢(shì)分析：任一個(gè)或多個(gè)參數(shù)相對(duì)某一個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)。在每個(gè)信號(hào)分析波形顯示窗口的旁邊設(shè)立說(shuō)明，解釋各個(gè)圖形的含義。如當(dāng)前的頻譜圖中有哪些主要的頻譜，該設(shè)備的故障頻譜有哪些，當(dāng)前的頻譜圖說(shuō)明設(shè)備處于何種狀態(tài)。

（2）故障診斷結(jié)果及建議。提供唯一確定的設(shè)備故障診斷結(jié)果，主要有以下幾點(diǎn)：①故障診斷結(jié)論；② 當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估；③ 維護(hù)建議。

（3）報(bào)警。一旦出現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)為“正常”以下，提供報(bào)警功能及應(yīng)急解決方案。

2.3 設(shè)備檢修管理功能

（1）提供日、星期、月甚至更長(zhǎng)時(shí)間周期的檢修任務(wù)單。其中日檢修任務(wù)單每天在點(diǎn)擊本功能菜單時(shí)自動(dòng)跳出。檢修任務(wù)單分為常規(guī)檢修任務(wù)單和狀態(tài)檢修任務(wù)單。常規(guī)檢修任務(wù)單提供通風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)內(nèi)容。狀態(tài)檢修任務(wù)單根據(jù)風(fēng)機(jī)的故障診斷及狀態(tài)評(píng)估結(jié)論，安排風(fēng)機(jī)的檢修內(nèi)容，主要包括：待檢設(shè)備名稱、當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估結(jié)論、檢修項(xiàng)目。檢修任務(wù)單上還依據(jù)設(shè)備位置及檢修緊迫程度提供檢修優(yōu)化后的路徑。

（2）檢修歷史查詢?？梢园凑赵O(shè)備、時(shí)間、人員等查詢歷史的檢修信息，查詢歷史檢修工單。

（3）檢修工單。提供檢修工單，強(qiáng)制檢修人員填寫(xiě)，與當(dāng)天檢修任務(wù)書(shū)結(jié)合在一起。維修工單可完成對(duì)維修活動(dòng)的全程跟蹤，記錄設(shè)備維修過(guò)程?；跈z修工單的維修活動(dòng)跟蹤管理可以解決設(shè)備維修歷史記錄存檔不完整、設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)個(gè)人化及知識(shí)不能轉(zhuǎn)化為企業(yè)范圍的智力資本等難題。

（4）檢修幫助。針對(duì)不同設(shè)備提供專業(yè)維護(hù)知識(shí)和案例分析。案例分析主要借助于檢修自動(dòng)生成，可以查到礦井的大型設(shè)備經(jīng)常有哪些故障、都是如何解決的。與歷史查詢不同，歷史查詢是流水賬式的；而本功能需要數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)檢修工單的其中的一些條目進(jìn)行分析才能得到。

2.4 設(shè)備參數(shù)管理功能

（1）設(shè)備基本參數(shù)。設(shè)備基本參數(shù)包括編號(hào)、型號(hào)、額定參數(shù)、安裝位置、工作狀態(tài)、生產(chǎn)廠家、供應(yīng)商、投產(chǎn)日期、檢修情況、備件數(shù)量等。

（2）設(shè)備更新管理。一旦更換設(shè)備，提供對(duì)新設(shè)備進(jìn)行上述參數(shù)輸入的窗口。這項(xiàng)工作可在檢修工單中選擇“更換設(shè)備”時(shí)自動(dòng)彈出。

3 實(shí)踐應(yīng)用及效果分析

該礦井通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)生產(chǎn)后，在中陽(yáng)縣高家莊煤礦進(jìn)行了試用，具體應(yīng)用效果如下：

（1）構(gòu)建了功能全面的“礦井主通風(fēng)機(jī)智能變頻控制與故障診斷決策支持系統(tǒng)”，將遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷、決策支持、綜合管理有機(jī)結(jié)合，達(dá)到了無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)雙井、雙風(fēng)機(jī)的安全生產(chǎn)、高效節(jié)能與科學(xué)管理。

（2）實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的變頻控制。利用變頻器，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)速度來(lái)改變風(fēng)量，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

（3）解決了通風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)控制的大滯后性和非線性的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了包括主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器的通風(fēng)串級(jí)控制系統(tǒng)。采用風(fēng)量、轉(zhuǎn)速作為反饋量，引入井下生產(chǎn)計(jì)劃作為前饋量，快速響應(yīng)風(fēng)量需求的變化，提高了通風(fēng)控制系統(tǒng)的控制性能。

（4）實(shí)現(xiàn)了基于信息融合技術(shù)的通風(fēng)機(jī)故障診斷。采集通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)、電流、溫度等信號(hào)，利用信息熵技術(shù)從通風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取故障特征向量；采用信息融合技術(shù)融合多傳感器的信息，對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障診斷。

（5）提供了通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的綜合管理和決策支持功能。利用專家系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備歷史記錄、狀態(tài)評(píng)估及故障診斷結(jié)論，提供故障原因分析、故障解決方案等決策支持，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的狀態(tài)檢修，革新了礦井設(shè)備維護(hù)管理模式。

（6）研制的風(fēng)門到位檢測(cè)控制裝置，解決了風(fēng)道中位置式到位傳感器安裝調(diào)整困難、對(duì)環(huán)境要求高的缺陷，定位準(zhǔn)確且緊閉程度可控，避免了漏風(fēng)現(xiàn)象，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。