礦井通風(fēng)機在線監(jiān)測及故障預(yù)警系統(tǒng)的分析與設(shè)計

張 波

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

礦井通風(fēng)機通常由軸管道和風(fēng)扇系統(tǒng)組合而成，其主要作業(yè)是為工人提供充足的氧氣，稀釋和排出地下礦井中的危險氣體。此外，地下礦井中的許多機器都使用化石燃料，礦井通風(fēng)機還具有去除機器設(shè)備的煙霧的功能[1]。作為采礦作業(yè)的“肺”，礦井通風(fēng)機發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，確保地下工作能夠順利進(jìn)行，確保工人的安全。據(jù)統(tǒng)計，70%以上的煤礦事故是由于通風(fēng)設(shè)備故障導(dǎo)致通風(fēng)不良、通風(fēng)管理不善等導(dǎo)致[2]。當(dāng)前的傳統(tǒng)的維修方法是在設(shè)備出現(xiàn)故障需要維修時才維修，或者在一定的時間間隔內(nèi)定期對設(shè)備井下檢修，這樣不利于及時了解設(shè)備的工作狀態(tài)，容易造成過量或不足的維護(hù)。因此，有必要建立礦井通風(fēng)機的實時在線監(jiān)測和故障預(yù)警系統(tǒng)。

1 礦井通風(fēng)機常見的機械故障及特點

建立煤礦通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)是為了抓住有效的振動信號分析的本質(zhì)，提取異常信息和故障排除。礦井呼吸機振動信號作為一種大型旋轉(zhuǎn)機械，部件非常復(fù)雜，導(dǎo)致異常振動，非?；靵y。根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗，分析了其振動、機械側(cè)的原因。由振動引起的故障平面（轉(zhuǎn)子失衡、轉(zhuǎn)子軸錯位、轉(zhuǎn)子弓形彎曲、流體激蕩）占風(fēng)機故障[3]的90%以上。

1）轉(zhuǎn)子軸錯位。轉(zhuǎn)子軸錯位故障占所有故障風(fēng)扇故障的70%以上，該故障主要產(chǎn)生在耦合部分，通常是由于安裝誤差、機械支撐后的變形、定心的變化和沉降基礎(chǔ)的不均勻所致。

2）轉(zhuǎn)子失衡。該故障是旋轉(zhuǎn)機械常見的故障，由偏心質(zhì)量和轉(zhuǎn)子部件缺陷兩個方面引起。常見故障原因為：轉(zhuǎn)子葉片葉輪連接質(zhì)量不均勻；機械安裝葉輪葉片時產(chǎn)生誤差，如校正后焊縫重量不一致，不準(zhǔn)確，消除應(yīng)力、變形也可能存在；壓力變形或缺陷條件下進(jìn)行葉輪運行。

3）轉(zhuǎn)子弓形彎曲。轉(zhuǎn)子的弓形彎曲是由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理，制造誤差大，材質(zhì)不均勻，轉(zhuǎn)子長期存放不當(dāng)或熱態(tài)停機時未及時盤車，熱穩(wěn)定性差，長期運行后轉(zhuǎn)軸自然彎曲加大等原因造成的永久性彎曲。在這種情況下，軸向可以產(chǎn)生更大的頻率振動。油膜的旋轉(zhuǎn)和振蕩振動。該現(xiàn)象屬于自激發(fā)振蕩和振動現(xiàn)象，由于不同的紋理，導(dǎo)致油沿軸高速運動，液體之間的整體連接較差，從而對軸的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響[4]。

4）流體激蕩。由風(fēng)扇在不穩(wěn)定區(qū)域引起的，它可以反擊轉(zhuǎn)子。這種現(xiàn)象被稱為激增。振動頻率主要基于超低頻率，常伴有頻率。由于進(jìn)氣和出口流量的變化，數(shù)據(jù)有很大的周期性變化。氣流噪聲周期性地發(fā)生強烈的變化[5-6]。

2 用于信號采集的硬件平臺

通過對常見故障的分析，開發(fā)了礦井通風(fēng)機在線監(jiān)測及故障預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件平臺和軟件系統(tǒng)。礦井通風(fēng)機的工作狀態(tài)可通過安裝在設(shè)備上的各種與計算機相連的傳感器反映出來，通過對振動信號、時域和頻域的分析，結(jié)合各種機械故障的頻率特性，可以實現(xiàn)故障的識別和定位。

2.1 硬件平臺的總體結(jié)構(gòu)

運行風(fēng)扇的信息采集平臺結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示。風(fēng)機故障診斷過程中，由于故障不是唯一的表達(dá)形式，且具有模糊性，導(dǎo)致風(fēng)機狀態(tài)的實際描述不清楚。在信息采集過程中，應(yīng)保留獨立特征可以提供互補信息。本研究設(shè)計的機構(gòu)中，采用速度傳感器采集振動信號，采用霍爾傳感器采集相位信號，實現(xiàn)來了信息互補。

圖1 風(fēng)扇信號采集的硬件平臺

2.2 傳感器的選擇計算和安裝設(shè)計

風(fēng)機的主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，因此振動頻率顯示為：fr=1000/60=16.7 Hz。根據(jù)振動信號采集的原理，選擇速度傳感器進(jìn)行測量（A、C、E 點位垂直安裝，B、D、F 點位水平安裝）。相位信號測量點采用霍爾傳感器（G）。安裝點如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝點

3 基于LabVIEW 的軟件平臺

3.1 軟件平臺的總體結(jié)構(gòu)

該平臺主要包括三個模塊，如圖3 所示。

圖3 礦井通風(fēng)機的軟件平臺

基本模塊的功能是根據(jù)指定的采樣頻率和采樣間隔采集外部信號，進(jìn)行通道分離預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、相位對齊等，然后根據(jù)指定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲實時數(shù)據(jù)。此外還有歷史數(shù)據(jù)的查詢和刪除功能。采樣數(shù)據(jù)在在線監(jiān)測模塊中進(jìn)行真實分析，風(fēng)扇的實時狀態(tài)以強度值表示。根據(jù)強度閾值實現(xiàn)一次或二次報警，同時對本模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在離線分析模塊中，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，可以預(yù)測運行風(fēng)扇的發(fā)展趨勢，基于專家知識庫的專家系統(tǒng)可以給出評價和維修建議。在遠(yuǎn)程分發(fā)模塊中，可以通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)，包括實時數(shù)據(jù)和離線分析結(jié)果，使用戶可以遠(yuǎn)程查看。

3.2 軟件平臺的功能

該系統(tǒng)基于LabVIEW 軟件開發(fā)環(huán)境，在揉捏板的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要包含“前面板”、用戶界面設(shè)計和“流程圖”。該系統(tǒng)需要連續(xù)采集6 個通道，每個通道有512 個雙精度浮點數(shù)據(jù)。在正常運行狀態(tài)下，為每5 min 存儲一組數(shù)據(jù)，因此需要存儲1 d 的數(shù)據(jù)量為：6×512×（60/5）×24=884736 bit。

如上所述，該系統(tǒng)采用了文件存儲和數(shù)據(jù)庫組合的方式。采樣數(shù)據(jù)以文件和壓縮的形式存儲，其他數(shù)據(jù)存儲在Access 數(shù)據(jù)庫中。

圖4 所示的系統(tǒng)功能模塊和數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)示意圖表明，該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了兩個主要功能：在線監(jiān)控和離線分析。在線監(jiān)控的核心是真實的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，來自預(yù)處理模塊的數(shù)據(jù)可以進(jìn)入緩沖區(qū)，然后另一個區(qū)域可以按固定的時間間隔刪除數(shù)據(jù)。基于專家知識庫，通過離線分析模塊中的用戶交互，可以預(yù)測早期故障報警。

圖4 系統(tǒng)功能模塊和數(shù)據(jù)流

4 應(yīng)用效果分析

通過現(xiàn)場增加振動檢驗設(shè)備在某個工藝參量是否能夠發(fā)出報警。應(yīng)用效果表明，電動機自由側(cè)垂直方向的振動值增加，系統(tǒng)通過提供電動機負(fù)荷側(cè)垂直方向的振動值的變化趨勢以及電動機相位變化趨勢綜合判斷設(shè)備的振動增加情況，進(jìn)而綜合判斷設(shè)備的綜合狀態(tài)，并結(jié)合設(shè)備的工藝參數(shù)判斷出設(shè)備屬于異常狀態(tài)，成功進(jìn)行報警。

5 結(jié)語

通過在“開發(fā)礦井通風(fēng)機在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)”的背景下進(jìn)行了研究，系統(tǒng)根據(jù)需求分析和功能要求，利用虛擬儀器技術(shù)，綜合采用時域和頻域分析、振動監(jiān)測等方式對風(fēng)機及其電機進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警。同時，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了實時運行狀態(tài)監(jiān)控功能、故障預(yù)警、遠(yuǎn)程分發(fā)，使整個設(shè)備的維護(hù)管理能夠?qū)崿F(xiàn)信息化和自動化。