基于PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警體系的應(yīng)用研究

陳浩銳

（晉能控股集團(tuán)趙莊煤業(yè)， 山西 長治 046600）

0 引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦井下通風(fēng)的核心，被稱為“礦井之肺”，主要用于向煤礦井下通入新鮮空氣，將井下綜采作業(yè)過程中產(chǎn)生的瓦斯等有害氣體排出巷道，保證井下的安全生產(chǎn)，因此一旦通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)故障，將給煤礦井下的綜采作業(yè)帶來嚴(yán)重的安全隱患。目前，對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的監(jiān)控主要是通過對風(fēng)量、風(fēng)速、電流的分析來判斷風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行正常，但該監(jiān)測方案存在著較大的局限性，難以對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械故障進(jìn)行判斷，而且對風(fēng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)維護(hù)時(shí)也是憑維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行保養(yǎng)，難以發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)內(nèi)部的隱含故障，無法滿足井下智能通風(fēng)控制的需求[1]。針對現(xiàn)有礦井通風(fēng)系統(tǒng)的不足，結(jié)合影響通風(fēng)控制需求，提出了一種新的基于PLC 的礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)警體系，在對風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，獲取了各類故障的機(jī)理和征兆，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測體系的原理、架構(gòu)和傳感器的布置位置進(jìn)行了分析。

1 風(fēng)機(jī)常見故障及征兆

為了確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的常見故障類型及故障征兆，為風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測及預(yù)警提供依據(jù)，經(jīng)過對近3 000組風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的常見故障主要包括以下幾種[2]：

1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡：在運(yùn)行過程中會(huì)表現(xiàn)出風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號明顯且呈現(xiàn)出較小的高次諧波。

2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不對中：轉(zhuǎn)子不對中時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生明顯的高倍頻諧波，風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)會(huì)加劇，而且在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子處的溫度會(huì)快速升高。

3）風(fēng)機(jī)軸承故障：風(fēng)機(jī)軸承故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，主要表現(xiàn)為高頻次的諧波突出，電機(jī)軸承位置的溫度明顯升高，風(fēng)機(jī)電流出現(xiàn)波動(dòng)等。

4）風(fēng)機(jī)葉片損傷：風(fēng)機(jī)葉片損傷主要會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)以及持續(xù)性的噪聲。

5）風(fēng)機(jī)電氣故障：電氣故障主要是指各類控制信號異常，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行故障，主要表現(xiàn)為電流、電壓異常。

通過對風(fēng)機(jī)故障類型的分析，在風(fēng)機(jī)故障中機(jī)械故障占據(jù)了整個(gè)故障的85%以上，在對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上可以確定，通過對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、電機(jī)溫度、電流、電壓信號的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。

2 運(yùn)行監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測需求，本文所提出的通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括監(jiān)測設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)主機(jī)四個(gè)部分，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、模塊化程度高，能夠根據(jù)不同的監(jiān)測需求進(jìn)行快速的調(diào)整，滿足不同類型風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測可靠性需求。

圖1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該監(jiān)測系統(tǒng)中，通過布置在風(fēng)機(jī)上的各類傳感器設(shè)備對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡和監(jiān)測平臺(tái)主機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和存儲(chǔ)，然后再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)叫盘柗治鎏幚碓O(shè)備內(nèi)，對監(jiān)測信息進(jìn)行對比判斷，確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，然后將分析結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在設(shè)備監(jiān)測屏幕上，便于監(jiān)控人員對風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行控制。

為了滿足靈活控制的需求，當(dāng)監(jiān)控人員發(fā)出調(diào)節(jié)控制指令后，這些指令轉(zhuǎn)換為電流和電壓控制信號，然后在數(shù)據(jù)量控制模塊內(nèi)進(jìn)行PID 模糊控制分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)和處理后輸出變頻調(diào)節(jié)信號，控制對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)調(diào)整的情況進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果和控制信號進(jìn)行對比，獲取偏差值，然后再對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行靈活修正，最終確保風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)精確性，該調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳感器位置分布示意圖

圖2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 傳感器位置優(yōu)化

傳感器監(jiān)測結(jié)果直接反應(yīng)了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，因此其監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性是該風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，傳感器的位置不同其監(jiān)測結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)較大的差異性，在選擇傳感器安裝位置的時(shí)候除了要考慮監(jiān)測準(zhǔn)確性的需求外，還需要考慮傳感器安裝的可行性和穩(wěn)定性，因此經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確認(rèn)了各傳感器的最佳位置分布情況，結(jié)果如圖3 所示。

由圖2 可知，在電機(jī)前級電機(jī)徑向端設(shè)置一個(gè)加速度振動(dòng)傳感器，對電機(jī)的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控，如圖3 中位置1 所示；位置2（電機(jī)轉(zhuǎn)軸）處設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量；位置3（葉片間殼體軸向位置）處設(shè)置一個(gè)振動(dòng)傳感器；位置4（葉片間殼體前部徑向位置）處設(shè)置一個(gè)振動(dòng)傳感器；位置5（葉片間殼體后部徑向位置）處設(shè)置一個(gè)振動(dòng)傳感器，用于分布測量風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的振動(dòng)情況。

4 應(yīng)用效果分析

為了對該風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的時(shí)間應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文對風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，對優(yōu)化前后的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明優(yōu)化后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的平均故障數(shù)量由最初的44.6 次/月降低到了目前的2.98 次/月，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的維護(hù)周期由最初的2.4 h 降低到了目前的1.2 h，而且由于能夠定期輸出運(yùn)行狀態(tài)分析報(bào)告，顯著提升了風(fēng)機(jī)維護(hù)效率和可靠性，為進(jìn)一步提升井下通風(fēng)安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

5 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的常見故障主要包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不對中、風(fēng)機(jī)軸承故障、風(fēng)機(jī)葉片損傷、風(fēng)機(jī)電氣故障。

2）通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)主機(jī)四個(gè)部分，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、模塊化程度高，能夠根據(jù)不同的監(jiān)測需求進(jìn)行快速的調(diào)整，滿足不同類型風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測可靠性需求。

3）該系統(tǒng)自應(yīng)用以來，將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行故障率減少了93.3%以上，將風(fēng)機(jī)維護(hù)周期縮短了49.2%，顯著提升了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。