煤礦主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)的研究

閔祥晟，趙慧杰，朱曉寧

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦, 山東 濟寧272100；2.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城273500）

0 引 言

礦井主通風機承擔著煤礦井下空氣循環(huán)、溫度調(diào)節(jié)、稀釋有害氣體、改善作業(yè)環(huán)境等諸多功能，其可靠性水平直接影響煤礦生產(chǎn)工作的安全進行。同時，礦井主通風機結(jié)構(gòu)復雜、運行功率大、控制要求嚴格，因此有必要系統(tǒng)地開展針對礦井主通風機的可靠性維護工作，編制科學的維保策略，指導設備的日常維護保養(yǎng)和檢修工作，提前排除安全隱患和設備故障，確保礦井主通風機可靠、平穩(wěn)、高效運行。

本文詳細介紹了興隆莊煤礦主通風機的可靠性維護管理系統(tǒng)的建立，針對現(xiàn)場主通風機的設備特性和實際工況環(huán)境，制定了可靠性維護策略和可靠性維護管理系統(tǒng)，并以此為基本框架建立礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)，充分考慮管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風機設備質(zhì)量本身、通風現(xiàn)場實際工況環(huán)境對礦井主通風機可靠性水平的影響。該套礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)以智能監(jiān)控系統(tǒng)為核心，引入專家級故障診斷系統(tǒng)和故障智能處理系統(tǒng)。通過開發(fā)上述系統(tǒng)，有效維護和保障了礦井通風可靠性，提升通風系統(tǒng)的自動化和智能化水平。

1 主通風機可靠性影響因素

總結(jié)現(xiàn)場實際應用經(jīng)驗可知，管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風機設備質(zhì)量本身、通風現(xiàn)場實際工況環(huán)境是影響礦井主通風機可靠性水平主要因素。上述3 項主要因素相互作用，其中任意一方面的因素都可以制約其它因素發(fā)揮作用，也可以推動其它因素最大限度地發(fā)揮自身作用。可靠性維護工作的目的是有效融合上述因素，激發(fā)各自的積極作用，充分發(fā)揮設備管理人員、技術(shù)操作人員、維護保養(yǎng)人員的主觀能動性，選擇適宜現(xiàn)場工況環(huán)境的主通風機，制定和執(zhí)行切實有效的設備管理制度和使用維護制度，及時發(fā)現(xiàn)和排除潛在故障源，最大限度地發(fā)揮主通風機的功能，使主通風機能夠在煤礦惡劣的通風工況環(huán)境下長期連續(xù)可靠運行，確保礦井通風工作的可靠性[1]。礦井主通風機可靠性影響因素的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 可靠性影響因素結(jié)構(gòu)框圖

2 主通風機可靠性維護內(nèi)容

煤礦主通風機是整個井下通風系統(tǒng)的動力源，《煤礦安全規(guī)程》對其可靠性和故障維修時間要求非常嚴格。為了確保煤礦主通風機性能可靠、故障率低，也為了發(fā)生故障時能夠迅速捕捉故障點，及時排除故障恢復設備運行，需要從技術(shù)層面和管理層面制定和開展綜合性的可靠性維護工作。技術(shù)層面的可靠性維護工作包括設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測、故障發(fā)生后的故障及時檢測、故障的及時維修和排除、日常設備維護保養(yǎng)等貫穿于設備使用周期內(nèi)的實質(zhì)性技術(shù)類工作。管理層面的可靠性維護工作主要是圍繞技術(shù)類工作制定科學的、切實可行的管理準則和執(zhí)行策略，指導和規(guī)范技術(shù)類工作的順利開展，具體包括煤礦主通風機操作和維護制度的編制，以及相應制度和大綱執(zhí)行情況的監(jiān)督，設備投入運行后所有故障信息和維修工作的數(shù)據(jù)存檔等[2]。結(jié)合煤礦主通風機的性能特點和現(xiàn)場工況環(huán)境，有針對性地制定可靠性維護準則、完善可靠性維護策略，是有效開展煤礦主通風機可靠性維護工作的必要客觀條件。

2.1 可靠性維護準則

在制定煤礦主通風機可靠性維護準則時需要充分考慮以下幾項原則：

1）維護時間最短化原則。包括及時發(fā)現(xiàn)故障、快速捕捉和檢測故障源、迅速采取措施隔離故障源或者開展維修、更換工作，以最快的速度排除故障恢復設備運行。

2）維護工作簡單化原則。包括主要易損件采用標準化設計并常備足量的備用件，設備各級軟、硬件之間具備良好的兼容性和適當?shù)娜蒎e性，有完備的維護制定和維護策略指導維護工作高效開展。

3）維護成本最低化原則。包括采用通用的維修方法和維修設備，減少專用維修設備和維修工具的需求量，減少維修工作對備用件和損耗性材料的需求成本，避免制定過高的維修要求。

4）維護人員素質(zhì)要求合理化原則。包括培訓現(xiàn)有維護人員掌握基本的維護方法和流程，結(jié)合設備特點制定完備而簡明的維修規(guī)程，盡可能降低維修難度大、專業(yè)性要求高的維修量所占比重。

以煤礦主通風機在長期應用中統(tǒng)計的故障模式、故障原因、故障排除方式、故障頻率等客觀數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，遵循上述可靠性維護準則，結(jié)合目前大型機械設備通用的邏輯決斷流程，制定針對煤礦主通風機的可靠性維護策略，結(jié)合現(xiàn)場實際工況細化不同故障模式相對應的可靠性預防性對策，并科學、有效地指導維修工作的開展。

2.2 可靠性維護策略

煤礦主通風機的可靠性維護工作需要根據(jù)設備特性和差異化要求，制定和落實科學合理的維護策略，以設備性能監(jiān)測反饋信息和設備自身使用維護準則為基礎(chǔ)，準確把握最佳維修維護時機，合理選擇最佳維修維護方式，合理調(diào)配和使用維修維護資源。堅持預防為主、防修結(jié)合的原則，通過故障的提前預警和預防性維修及時排除故障隱患，通過精準捕捉故障點及時采取合理的維修方式，以最快的速度、最小的成本恢復設備正常工作狀態(tài)[3]。煤礦主通風機可靠性維護的核心是主通風機及其附屬設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測信息對設備可靠性進行評估和預測。編制預防性維修策略，依據(jù)監(jiān)測信息在日常維護和例行檢測工作中對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的潛在故障點進行篩選排查，并依據(jù)維修維護規(guī)程采取有效措施及時排除安全隱患。同時，還要編制修復性維修和搶修性維修策略，由于煤礦工作環(huán)境的復雜性和惡劣性，主通風機不允許發(fā)生故障停機，所以要求融入智能化故障診斷技術(shù)和故障下備用設備自投入技術(shù)，確保主通風機可靠運行。

3 主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)

圖2 煤礦主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)框圖

煤礦主通風機屬于結(jié)構(gòu)復雜、功能繁瑣的可修復設備，其可靠性直接影響礦井通風安全和生產(chǎn)安全，因此，要確保煤礦主通風機能夠持續(xù)可靠運行，就必須對煤礦主通風機進行系統(tǒng)化的可靠性維護管理，建立如圖2 所示的煤礦主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)。該可靠性維護管理系統(tǒng)基于成熟的大型機械設備可靠性維護策略，以煤礦主通風機實際工況環(huán)境、設備自身性能特點和維護保養(yǎng)要求為依據(jù)，將設備運行狀態(tài)監(jiān)測和設備維修維護系統(tǒng)化地融合起來，實現(xiàn)煤礦主通風機日常維護保養(yǎng)和故障維修的信息化、智能化管理。一方面，通過預防性維修工作可以提前發(fā)現(xiàn)和消除潛在的故障隱患，減少故障發(fā)生的概率；另一方面，設備監(jiān)控系統(tǒng)可實時發(fā)現(xiàn)故障源并及時預警，分析故障具體信息后，通過既定的維修方案和維修策略及時排除設備故障，恢復設備正常工作狀態(tài)[4]。

基于礦井主通風機的實際工礦和自身特性，以制定的可靠性維護策略和可靠性維護管理系統(tǒng)為基本框架，建立礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)，充分考慮管理和技術(shù)人員素質(zhì)、主通風機設備質(zhì)量本身、通風現(xiàn)場實際工況環(huán)境對礦井主通風機可靠性水平的影響。該套礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)以智能監(jiān)控系統(tǒng)為核心，引入專家級故障診斷系統(tǒng)和故障智能處理系統(tǒng)（含故障下主通風機自動倒機系統(tǒng)、故障下電源自動快速切換系統(tǒng)等核心功能模塊），該套系統(tǒng)既具備良好的人機互動功能，又通過冗余設計和邏輯閉鎖設計實現(xiàn)了“無人值守”的智能化控制模式，除了易于操控和檢修維護方便以外，還有效杜絕了因為操作人員素質(zhì)差或者誤操作導致的人為故障。通過對主通風機及附屬設備的智能監(jiān)控，可以實現(xiàn)主通風機開關(guān)的電流、電壓、頻率、相位角等參數(shù)進行實時監(jiān)測；能夠?qū)S承溫度、徑向和軸向振動、電機繞組溫度、通風機風壓、風量和軸功率等參數(shù)進行實時監(jiān)控；能在線同步顯示風機及風門系統(tǒng)的模擬運行畫面，實時顯示風機啟停信號、正反風信號、風門啟閉信號，異常狀態(tài)下的實時報警。基于上述功能可以實時掌握主通風機自身運行狀態(tài)、評估工礦環(huán)境對主通風機的影響和干擾程度，進而評估主通風機的可靠性水平，評估結(jié)果將作為主通風機日常例行檢修和故障排除的直接參考依據(jù)。

礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)主要包括高性能的模擬量和數(shù)字量輸入輸出通道、串口通信模塊，大型通風機流量監(jiān)測專用裝置、壓力變送器、差壓變送器、電量變送器和溫度巡檢儀。其中大型通風機流量監(jiān)測裝置安裝在風道上、風量及風壓變送器在主扇風機一側(cè)就近安裝，電量變送器安裝在風機的啟動柜內(nèi)，溫度巡檢儀內(nèi)嵌在操作臺上通過現(xiàn)場總線與PLC 通訊，并與上位機的集中監(jiān)測一起形成兩級可靠顯示。同時，在系統(tǒng)設備選型過程中，信號輸入、輸出通道都適當留出一些備用余量，即通過通道冗余來保證系統(tǒng)的可擴展性。礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)針對主通風機主要故障，編制了相應的智能化控制策略，當故障發(fā)生時，系統(tǒng)會自動切換至故障模式，在故障模式下按預先編制的程序和控制策略啟動應急措施，確保主通風機在故障下不停機、不停風。該套系統(tǒng)主要包含故障模式下主通風機電源自動切換和系統(tǒng)故障模式下主通風機自動倒機2 種主要的可靠性保障策略。以系統(tǒng)故障模式下主通風機自動倒機為例：

圖3 礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在主通風機運行過程中如發(fā)生單電機故障或雙電機停機故障，礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)中的監(jiān)控子系統(tǒng)首先報警，并自動切入故障倒機界面，提示即將啟用故障自動倒機程序。值班人員接到故障停機報警后，需首先到現(xiàn)場檢查故障是否屬實，如果發(fā)現(xiàn)是由于反饋信號造成的系統(tǒng)誤報，應該消音，并排除信號故障；如果故障屬實，應該遵照故障倒機策略提示立刻進行倒機前準備工作。在確定倒機前所有準備工作完成后，為了方便操作員進行人工干預，監(jiān)控系統(tǒng)預留“故障自動倒機”選擇。故障狀態(tài)下倒機可以借助監(jiān)控系統(tǒng)的按鈕進行遠程控制，倒換方式被設計成采用傳統(tǒng)的“停機倒機”方式（即把原運行風風機停下來，主風門關(guān)閉，打開備用風機主風門，關(guān)閉備用風機副風門后，再逐級啟動備用風機）。具體操作如下：

1）現(xiàn)場合備用風機電機的正轉(zhuǎn)隔離刀閘，送真空開關(guān)的操作電源，將風門操作控制權(quán)置于遠控狀態(tài)。

2）將監(jiān)控系統(tǒng)操作臺上的“操作狀態(tài)選擇”置于手動方式，準備倒機。

3）停原運行風機1#電機，停原運行風機2#電機。

4）關(guān)閉原運行風機的主風門，打開原運行風機的副風門，打開備用風機的主風門，關(guān)閉備用風機副風門，并檢查到位狀態(tài)。

5）啟動備用風機電機，檢查確認電機已正常啟動，等待電機啟動沖擊電流回落。

6）倒機完畢。

7）拉開原運行風機的電機的隔離刀閘，形成明顯的電氣隔離。

通過礦井主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)開發(fā)的專家故障診斷系統(tǒng)，當主通風機運行出現(xiàn)異常狀態(tài)時，能進行正確判斷，并輸出報警信號和自動診斷結(jié)論，在發(fā)生故障停機時，根據(jù)故障狀態(tài)采用“無人值守”式自動控制或者提示操作人員按故障排除規(guī)程進行人工處理，具備故障時自動倒機功能，確保主通風機可靠運行持續(xù)供風。

4 現(xiàn)場應用效果

兗礦集團興隆莊煤礦于2019 年3 月引入主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)，該套系統(tǒng)實現(xiàn)了對主通風機及其附屬通風設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測、實現(xiàn)了設備故障處理和設備日常維保的系統(tǒng)化管理，有效提升了煤礦主通風機的可靠性管理水平，借助專家故障診斷系統(tǒng)和系統(tǒng)化維護策略，降低了設備故障率，提高了設備維護維修效率。

該可靠性維護管理系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖4 所示，系統(tǒng)設計實現(xiàn)了對電機的起停狀態(tài)、工作電壓、電流，風機的振動幅度、風機軸承和定子溫度，風量和負壓，風門開、閉狀態(tài)等眾多參數(shù)的集中動態(tài)顯示，界面友好、用戶使用非常方便。通過該控制界面可以實時顯示主通風機及其主要附件的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，顯示和存儲設備故障信息、維修維護信息。

圖4 主監(jiān)控界面

為方便用戶了解通風機運行的工況點和變化趨勢，監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了將運行風機的性能參數(shù)和風量、負壓實時曲線分別在圖5 和圖6 中以曲線形式形象地實時顯示。

可靠性維護管理系統(tǒng)可實現(xiàn)倒機過程中設備無動作或誤動作報警、風門開閉過程中的過轉(zhuǎn)矩和開閉不到位報警、正常運行中突發(fā)的單機和雙機停機故障的報警、風量、負壓和溫度超限的報警等常見故障的實時報警。當主通風機在運行中出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控系統(tǒng)除了具備響鈴報警功能，還可以同步將報警時間、日期和故障類別等相關(guān)信息自動記錄、存儲到圖7 所示的報警顯示存檔窗口，用于指引用戶方便地查詢故障詳情，進而幫助工作人員及時排除故障。

圖5 主通風機性能實時監(jiān)測界面

圖6 主通風機運行性能界面

圖7 主通風機故障報警顯示界面

投入運行1 年多來，借助該可靠性維護管理系統(tǒng)，興隆莊煤礦對主通風機的日常使用和維護工作進行系統(tǒng)化管理，利用先進的檢測、調(diào)控、通訊設備、技術(shù)對礦井主通風機以及風門等附屬設備實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)故障及時預警、故障信息及時傳遞、合理選擇故障處理方案、及時排除故障等一系列功能，大大提升了煤礦主通風機的可靠性管理效率，降低了設備故障率，提高了設備維護維修效率，對于確保礦井通風安全具有極大的現(xiàn)實意義。

5 結(jié) 論

礦井主通風機的可靠性是礦井安全生產(chǎn)的重要保障，系統(tǒng)地深入研究礦井主通風機可靠性維護工作，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建煤礦主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對通風設備狀態(tài)監(jiān)測、設備故障處理、設備日常維保的系統(tǒng)化、智能化、高效化管理。現(xiàn)場應用實踐證明，該套煤礦主通風機可靠性維護管理系統(tǒng)，提升了主通風機及其附屬設備的維保效率，降低了設備故障率，大大提高的設備可靠性水平，具有良好的推廣前景。