礦井主通風機故障在線智能檢測與診斷系統(tǒng)

薛軍軍

（山西興縣華潤聯(lián)盛車家莊煤業(yè)有限公司，山西 興縣 033600）

為了保證煤礦通風系統(tǒng)的正常運行，按照煤礦安全管理要求，需要對煤礦地面主通風機關鍵設備進行定期巡檢，以及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，并進行排除，從而避免引發(fā)煤礦安全事故［1］。但傳統(tǒng)的礦井地面主通風機故障檢測主要是通過采用人工完成，利用人的視覺、聽覺和嗅覺等對通風機進行故障檢測，勞動強度大、巡檢效率低，檢測和識別精度低，容易引起誤判，加之煤礦地面主通風機環(huán)境比較惡劣，直接影響到巡檢人員的安全［2］。隨著煤礦對安全性要求的不斷提高，對煤礦地面主通風機故障進行智能化快速檢精準檢測技術進行相關研究顯得尤為重要［3］。

為此，通過對煤礦主通風機常見故障類型和故障特征進行分析，利用傳感器檢測技術與無線通訊模塊將采集到的信號上傳到上位機監(jiān)控系統(tǒng)，并由軟件系統(tǒng)對礦井主通風機故障進行檢測和診斷分析，實現(xiàn)對礦井主通風機各項參數(shù)的動態(tài)在線實時檢測，有效避免礦井主通風機故障，保證煤礦通風系統(tǒng)的安全可靠運行，對保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義和應用價值。

1 礦用主通風機結構組成與常見故障

1.1 礦井通風系統(tǒng)結構組成

（1）地面風機設備。風機是實現(xiàn)礦井通風的關鍵設備，是煤礦通風系統(tǒng)中的動力設備，是保證煤礦通風系統(tǒng)安全性和有效性的執(zhí)行設備。

（2）高壓供電系統(tǒng)。礦井供電系統(tǒng)是保證通風設備正常運轉的關鍵輔助系統(tǒng)，并且也是礦井通風系統(tǒng)的動力源。

（3）風門等基礎設施［4］。

1.2 礦井通風系統(tǒng)常見故障類型分析

通過對礦井通風系統(tǒng)關鍵裝置進行分析，得出設備常見故障和分類如下［5］：

（1）電動機的故障。電動機常見故障主要有以下幾種：轉子故障、軸承故障、繞組故障。①轉子故障是危害最大的故障類型，當轉子不動時將會導致電動機發(fā)熱燒壞電機。②軸承故障是常見的故障類型，當軸承潤滑不充分時軸承的磨損較嚴重容易造成軸承故障，從而引起局部發(fā)熱。③電動機繞組故障，采集電動機繞組的溫度變化可以得出電動機的運行狀況。

（2）風機的故障。常見的故障類型有：①振動故障。當風機的構件發(fā)生損壞時將會引起嚴重的振動，葉輪發(fā)生不平衡的振動，軸承的偏心振動等。②振動引起的噪聲，通過檢測振動噪聲從而可以判斷軸承故障和轉子的運行狀態(tài)。③構件的彎曲松動，當載荷過大時將會引起葉輪的主軸彎曲變形，振動引起螺栓的松動等。

（3）風門及輔助裝置故障。在通風系統(tǒng)中，由于風門受天氣或灰塵影響導致開閉較為困難，為此就需要使用傳感監(jiān)測裝置和信號采集裝置，識別故障信號進行分析。

綜上所述，對礦井主通風機進行實時在線檢測，需要在風機上布置溫度傳感器和振動傳感器，并對振動烈度進行智能分析，可以保證對通風機的全方位信號采集與數(shù)據(jù)傳輸。

2 礦用主通風機故障在線檢測與診斷系統(tǒng)技術方案

礦用主通風機故障在線檢測與診斷系統(tǒng)融合了傳感器檢測技術、網(wǎng)絡通訊技術、故障智能診斷系統(tǒng)軟件技術等，實現(xiàn)對礦井主通風機關鍵位置點的數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的分析，最終實現(xiàn)對1號風機和2號風機的參數(shù)識別與檢測，總體技術方案原理如圖1所示。

圖1 礦井通風系統(tǒng)遠程故障診斷系統(tǒng)基本結構

從上圖1中可知，通過采用振動傳感器、霍爾

傳感器對煤礦1號風機和2號風機的有關信號進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸駝颖O(jiān)控儀中。

振動傳感器的作用是用于采集風機的振動信號，

霍爾傳感器用于對風機的運行電壓和電流信號，由溫度傳感器檢測風機的溫度參數(shù)等。振動傳感器接收到的振動信號由振動烈度監(jiān)控儀對信號進行對比處理，隨后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)故障診斷軟件系統(tǒng)對故障類型進行分析，并發(fā)送到遠程監(jiān)控端，對主通風機進行遠程監(jiān)控，從而避免人員近距離靠近主通風機發(fā)生危險，減少人員參與，降低工人的勞動強度。

3 硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設計

3.1 硬件系統(tǒng)選型

礦井主通風系統(tǒng)遠程故障診斷系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、信號分析和處理模塊組成，選用CD-6型無源磁電式振動速度傳感器，頻響范圍為5～1000 Hz，選用CHE12-10NA-H71型霍爾傳感器，采用ZT6302L型振動監(jiān)測儀作為信號調理設備。選用ART-PCI8622型數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)250 KS/s采樣的速率。各個振動傳感器由三芯屏蔽信號線與D37型轉接端子進行連接，隨后通過RS232總線接口與采集卡進行聯(lián)系。

3.2 軟件系統(tǒng)設計

礦井主通風機故障在線診斷系統(tǒng)軟件部分是整個系統(tǒng)診斷的核心，通過硬件系統(tǒng)對振動信號等進行數(shù)據(jù)采集，隨后通過軟件系統(tǒng)進行故障診斷和分析，對故障特征進行高清在線監(jiān)控。軟件系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集后的處理和分析過程，是整個在線檢測系統(tǒng)的大腦。數(shù)據(jù)采集與分析算法流程如圖2所示。

采用數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集，判斷設備的運行狀態(tài)，通過初始化采集卡和數(shù)據(jù)的轉換，將物理信號轉變?yōu)榭梢宰R別的電信號，通過對狀態(tài)信息進行判斷，從而得出設備的參數(shù)情況。PIC8622采集卡控制模塊讀取采集卡的設置參量，根據(jù)狀態(tài)參量進行控制。此外，數(shù)據(jù)采集卡不僅能完成數(shù)據(jù)的采集，而且對數(shù)據(jù)進行處理和重構，最終系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)能夠滿足監(jiān)測和故障診斷的要求。

圖2 數(shù)據(jù)采集與分析算法流程

4 應用效果與經(jīng)濟效益

為了驗證在線檢測方案的合理性和正確性，在山西興縣華潤聯(lián)盛車家莊煤業(yè)有限公司進行現(xiàn)場布置和安裝應用，并對礦井主通風機故障檢測效果和經(jīng)濟效益進行計算，在線檢測系統(tǒng)采集通風系統(tǒng)中關鍵機電設備連接位置，包括軸承、定子、電壓、電流和功率等信息，當外部參數(shù)改變時實時顯示狀態(tài)參數(shù)?，F(xiàn)場故障檢測與診斷結果如表1所示。

表1 礦井通風機故障在線檢測歷史數(shù)據(jù)

通過導出某短時間的故障診斷歷史記錄，可以發(fā)現(xiàn)提出的故障診斷系統(tǒng)識別精度較高，可以提前預警事故的發(fā)生。本次設計的這套礦井主通風系統(tǒng)故障在線檢測系統(tǒng)的響應時間為0.56s，誤判率≤0.28%，節(jié)省人力8～12人，每年節(jié)省企業(yè)經(jīng)濟成本100萬元左右，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。

5 結語

本次設計的礦井主通風機在線檢測與診斷系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場應用表明當通風機設備發(fā)生故障時可以實時報警，并準確采集數(shù)據(jù)信息，對故障識別精度較高，并且能夠診斷出故障的類型為后期的維修提供參考。為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。