礦井通風(fēng)監(jiān)測控制系統(tǒng)的可靠性分析

趙 健

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)向井下供給新鮮空氣，同時起到排出瓦斯等有毒有害氣體與抑制煤塵、煙塵等作用[1]。為了保證生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要對通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、巷道環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，采取有效解決措施[2]。通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)通常由若干部分組成，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性是井下通風(fēng)效率的重要保障。如果在運(yùn)行過程中，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備出現(xiàn)故障，會對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測參數(shù)造成影響，誤導(dǎo)工作人員作出錯誤判斷，為井下的生產(chǎn)工作帶來威脅[3-4]。因此，研究并分析通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，建立系統(tǒng)的可靠壽命模型，對于保障礦山安全具有重要意義。

1 通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)集計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等于一體，實現(xiàn)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的綜合化管理，保障煤礦安全、高效生產(chǎn)[5]。目前，國內(nèi)煤礦采用的通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括地面監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、控制器、變頻器與傳感器設(shè)備等裝置，具有對通風(fēng)參數(shù)模擬量、數(shù)字量的采集、傳輸、計算、控制與報警等功能。在運(yùn)行過程，系統(tǒng)會發(fā)生不同形式的故障，從實際情況觀察可知，地面設(shè)備、人為因素與軟件的故障概率較小，而井下監(jiān)控分站與傳感器設(shè)備對系統(tǒng)可靠性的威脅較大。因此，從礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)入手，評估監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，可有效提高通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全管理效率，保障通風(fēng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行[6]。在本文研究過程中，將系統(tǒng)中風(fēng)速、瓦斯等傳感器與監(jiān)控分站組成不同子系統(tǒng)，方便系統(tǒng)整體的可靠性評估。

圖1 通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 可靠性理論與方法

2.1 可靠性評價指標(biāo)

在對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析時，需要用到各種數(shù)量指標(biāo)，包括失效概率密度、可靠度、平均壽命與失效率等[7-8]。

1）失效概率密度是累計失效概率對時間的導(dǎo)數(shù)，表示單位時間內(nèi)的失效概率，記作f（t）。累計失效概率描述產(chǎn)品的使用壽命，記作F（t），且F（0）=0，F(xiàn)（+∞）=1。失效概率密度公式如下：

2）可靠度用于描述規(guī)定條件下在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率分布，可靠度是描述時間的函數(shù)，記作R（t），證明規(guī)定時間越短，產(chǎn)品實現(xiàn)功能的概率越小。可靠度與失效概率密度、累計失效概率的關(guān)系如式（2）、式（3）所示：

3）平均壽命指被測產(chǎn)品壽命的期望，記作θ，計算公式為：

推導(dǎo)得：

可知，通過積分可靠性函數(shù)可得到產(chǎn)品的平均壽命。

4）失效率反映產(chǎn)品的失效規(guī)律，描述t 時刻產(chǎn)品正常工作，在[t，t+Δt]時間段內(nèi)的失效概率，計算公式如下：

2.2 可靠性研究方法

本文通過對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性預(yù)計，判斷系統(tǒng)可靠性是否滿足實際需要。可靠性預(yù)計是根據(jù)產(chǎn)品以往的故障數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗，并結(jié)合產(chǎn)品零部件的故障失效率來預(yù)測實際的可靠度?？煽啃灶A(yù)計可協(xié)調(diào)產(chǎn)品設(shè)備的參數(shù)，合理提高可靠度，通過選擇最優(yōu)方案，采取必要措施，降低產(chǎn)品的失效率。將系統(tǒng)的故障率記為λs，則計算公式如下：

式中：λpi表示第i 個零部件的故障率；N 表示零部件的種類數(shù)量；Ni表示第i 個零部件的數(shù)量；λb表示基本故障率；πe、πR、πA、πS、πC分別表示零部件的環(huán)境因子、電流因子、應(yīng)力因子、電壓因子與配置因子；M 為故障數(shù)量。

系統(tǒng)的可靠性預(yù)計平均壽命MTBF=1/λs。

3 可靠性模型分析

由于井下環(huán)境復(fù)雜，通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的井下設(shè)備受到的干擾因素較多，是通風(fēng)系統(tǒng)故障的重災(zāi)區(qū)。因此，本節(jié)針對井下的主要設(shè)備進(jìn)行可靠性預(yù)計，具體包括監(jiān)控分站與傳感器設(shè)備可靠性預(yù)計，并對系統(tǒng)整體進(jìn)行可靠性分析，評估壽命。

3.1 監(jiān)控分站可靠性預(yù)計

監(jiān)控分站主要負(fù)責(zé)采集參數(shù)的預(yù)處理與指令傳輸工作，以KJ90-F8 監(jiān)控分站為例進(jìn)行可靠性預(yù)計，設(shè)備溫度150 ℃，環(huán)境溫度選取40 ℃，根據(jù)器件規(guī)范，得到各零件失效率，如表1 所示。

由表1 可知，各零部件的失效參數(shù)，通過式（7）與式（8）可計算得到監(jiān)控分站的失效率λh與平均壽命MTBFh。

表1 監(jiān)控分站零件失效率

3.2 傳感器可靠性預(yù)計

監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器設(shè)備包括風(fēng)速傳感器、瓦斯傳感器與風(fēng)壓傳感器等，以GFW15 風(fēng)速傳感器為例進(jìn)行可靠新預(yù)計，其環(huán)境參數(shù)與監(jiān)控分站相似，各零部件的失效率參數(shù)如表2 所示。

表2 風(fēng)速傳感器零件失效率

通過式（7）與式（8）可計算得到風(fēng)速傳感器的失效率λ1與平均壽命MTBF1。同理，可計算得到瓦斯傳感器、風(fēng)壓傳感器、溫濕度傳感器等設(shè)備的失效率λm與平均壽命MTBFm，其中m 為傳感器個數(shù)。

3.3 系統(tǒng)整體可靠性分析

通過上述分析，得到了監(jiān)控分站與各傳感器設(shè)備的失效率與平均壽命，根據(jù)可靠度與失效率之間關(guān)系：

由式（9）可計算得到各設(shè)備在工作1 000 h 后的可靠度R。通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)為樹形監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)整體可靠度與各子系統(tǒng)可靠度之間關(guān)系如下：

式中：m 為組成系統(tǒng)的子系統(tǒng)個數(shù)，子系統(tǒng)之間為并聯(lián)關(guān)系；n 為各子系統(tǒng)的元器件串聯(lián)個數(shù)。本文研究的預(yù)計模型中，m 與傳感器個數(shù)相等，n=2。

通過式（10）可計算得到整個監(jiān)控系統(tǒng)在工作1 000 h 后的可靠度Rs，根據(jù)上述公式推導(dǎo)，可進(jìn)一步得到系統(tǒng)的失效率λs與平均壽命MTBFs。根據(jù)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所需實現(xiàn)規(guī)定功能的平均故障壽命不應(yīng)小于800 h，通過與計算得到的MTBFs對比，可評估煤礦通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性是否達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

本文針對煤礦通風(fēng)系統(tǒng)井下設(shè)備故障頻發(fā)的情況，建立了一種可靠性評估方法，選取了失效概率密度、可靠度、平均壽命與失效率4 種可靠性指標(biāo)，將監(jiān)控系統(tǒng)分為若干子系統(tǒng)，分別計算得到監(jiān)控分站與傳感器設(shè)備的可靠性指標(biāo)，通過子系統(tǒng)之間的串并聯(lián)關(guān)系，得到整個監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行平均壽命的評估。本文建立的可靠性評估模型，結(jié)合礦山特點，可有效反映與估計整個通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和安全壽命，對建立高效、安全的數(shù)字化煤礦具有十分重要的實用價值。