礦井通風機智能監測及故障診斷系統的研究

陳寶林

（山西省呂梁市中陽縣應急管理局，山西 呂梁 033499）

礦井通風機是煤礦通風系統的關鍵設備，當通風機出現故障后必須停機檢修，因此對通風機進行時時監測及故障診斷非常必要。針對這一情況，應用智能控制技術、電力電子技術、傳感器技術、通信技術及故障診斷技術開發了礦井通風機智能監測及故障診斷系統[1-6]。

1 礦井通風機智能監測及故障診斷系統的開發

1.1 系統開發思路

（1）建立礦井主通風機智能變頻控制與故障診斷決策支持系統，實現對通風系統的遠程監控、故障診斷、決策支持、綜合管理等功能。

（2）根據風機運行狀態、礦井通風要求，產生控制命令，采用高壓變頻調速系統迅速響應控制命令，實現對風機的閉環控制。

（3）根據設備實時運行參數與歷史數據，迅速評估設備當前工作狀態，實現故障報警，提供故障原因分析、故障解決方案等，并給出相應檢修工作計劃。

這三個方面層層遞進，全面系統解決了礦井主通風機監控與故障診斷的一系列關鍵問題，實現了礦井通風機安全、連續、高效、經濟運行。

1.2 系統結構

設計的礦井通風機智能監測及故障診斷系統結構如圖1，主要是由監測監控系統和視頻監控系統兩大部分組成。

圖1 礦井通風機智能監控系統結構示意圖

監測監控系統為上下位機系統。下位機配置有PLC，是監測監控系統的核心，主要完成數據的采集和通訊；傳感器有溫濕度傳感器、煙霧傳感器和風量傳感器，采集這些傳感器的數據傳輸至數據的采集和通訊裝置。上位機包括主通風機控制室的控制臺監控主機和機電隊監控室的監控主機兩臺工業計算機，并且上位機采用MCGS 軟件進行組態，能夠將下位機傳輸過來的數據信息進行顯示和存儲，同時還能進行分析處理，實現預警等功能，能夠與下位機進行通信，從而可以對現場的通風機等設備進行遠程控制。

2 系統主要功能

2.1 設備運行管理功能

設備狀態參數顯示：振動幅值、電機電流、當前負荷、溫度等。

主界面顯示：設備運行動畫、各個測點的實時數據。

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

報警：一旦參數超限，提供聲光報警。

控制方式切換：依托礦井綜合自動化數據及網絡平臺，在通風系統中引入氧氣濃度、井下風速、采掘工作面溫度等重要參數，提供參數的趨勢圖，為控制方式的選擇以及風量的確定提供參考。提供了開環、單回路閉環、串級閉環三種控制方式的選擇。其中，開環控制提供變頻器頻率設定功能，直接控制通風量。

2.2 設備故障管理功能

（1）信號分析。信號分析顯示對振動信號的多種分析結果，主要有以下幾點。① 寸域分析：波形、幅值、軸心軌跡、軸心位置、軸系運動仿真；② 小波變換頻域分析：頻譜、相位、瀑布圖、濾波分析、細化譜、倒頻譜、包絡分析；③ 趨勢分析和相關趨勢分析：任一個或多個參數相對某一個參數的變化趨勢。在每個信號分析波形顯示窗口的旁邊設立說明，解釋各個圖形的含義。如當前的頻譜圖中有哪些主要的頻譜，該設備的故障頻譜有哪些，當前的頻譜圖說明設備處于何種狀態。

（2）故障診斷結果及建議。提供唯一確定的設備故障診斷結果，主要有以下幾點：①故障診斷結論；② 當前狀態評估；③ 維護建議。

（3）報警。一旦出現當前狀態為“正常”以下，提供報警功能及應急解決方案。

2.3 設備檢修管理功能

（1）提供日、星期、月甚至更長時間周期的檢修任務單。其中日檢修任務單每天在點擊本功能菜單時自動跳出。檢修任務單分為常規檢修任務單和狀態檢修任務單。常規檢修任務單提供通風機的日常維護內容。狀態檢修任務單根據風機的故障診斷及狀態評估結論，安排風機的檢修內容，主要包括：待檢設備名稱、當前狀態評估結論、檢修項目。檢修任務單上還依據設備位置及檢修緊迫程度提供檢修優化后的路徑。

（2）檢修歷史查詢。可以按照設備、時間、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，強制檢修人員填寫，與當天檢修任務書結合在一起。維修工單可完成對維修活動的全程跟蹤，記錄設備維修過程。基于檢修工單的維修活動跟蹤管理可以解決設備維修歷史記錄存檔不完整、設備維護經驗個人化及知識不能轉化為企業范圍的智力資本等難題。

（4）檢修幫助。針對不同設備提供專業維護知識和案例分析。案例分析主要借助于檢修自動生成，可以查到礦井的大型設備經常有哪些故障、都是如何解決的。與歷史查詢不同，歷史查詢是流水賬式的；而本功能需要數據挖掘技術，對檢修工單的其中的一些條目進行分析才能得到。

2.4 設備參數管理功能

（1）設備基本參數。設備基本參數包括編號、型號、額定參數、安裝位置、工作狀態、生產廠家、供應商、投產日期、檢修情況、備件數量等。

（2）設備更新管理。一旦更換設備，提供對新設備進行上述參數輸入的窗口。這項工作可在檢修工單中選擇“更換設備”時自動彈出。

3 實踐應用及效果分析

該礦井通風機智能監測及故障診斷系統完成設計生產后，在中陽縣高家莊煤礦進行了試用，具體應用效果如下：

（1）構建了功能全面的“礦井主通風機智能變頻控制與故障診斷決策支持系統”，將遠程監控、故障診斷、決策支持、綜合管理有機結合，達到了無人值守，實現了對煤礦通風系統雙井、雙風機的安全生產、高效節能與科學管理。

（2）實現了主通風機的變頻控制。利用變頻器，通過調節電機速度來改變風量，達到了節能降耗的目的。

（3）解決了通風系統閉環控制的大滯后性和非線性的問題。設計了包括主、副兩個調節器的通風串級控制系統。采用風量、轉速作為反饋量，引入井下生產計劃作為前饋量，快速響應風量需求的變化，提高了通風控制系統的控制性能。

（4）實現了基于信息融合技術的通風機故障診斷。采集通風機的振動、電流、溫度等信號，利用信息熵技術從通風機運行數據中提取故障特征向量；采用信息融合技術融合多傳感器的信息，對通風機進行故障診斷。

（5）提供了通風系統設備的綜合管理和決策支持功能。利用專家系統，根據設備歷史記錄、狀態評估及故障診斷結論，提供故障原因分析、故障解決方案等決策支持，實現了設備的狀態檢修，革新了礦井設備維護管理模式。

（6）研制的風門到位檢測控制裝置，解決了風道中位置式到位傳感器安裝調整困難、對環境要求高的缺陷，定位準確且緊閉程度可控，避免了漏風現象，提高了通風系統的效率，達到了節能的目的。