礦井主通風機故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

高 炳

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

引言

礦井主通風機是保障礦井可靠通風及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性體現(xiàn)在不間斷地向井下輸送新鮮空氣，同時排出粉塵及“乏風”氣體，形成有效的礦井循環(huán)風系統(tǒng)。礦井主通風機的重要性體現(xiàn)在以下方面：一旦主通風機發(fā)生故障，輕則導致設(shè)備損壞、風流紊亂和通風不暢，重則導致有害氣體積聚、瓦斯超限、氧氣不足、災(zāi)害發(fā)生，甚至人員傷亡。因此，對于礦井主通風機的各類故障必須高度重視，從對系統(tǒng)的實時監(jiān)測入手，建立礦井主通風機故障診斷專家系統(tǒng)，及時識別并定位各類故障，盡早對設(shè)備故障進行處置，避免故障擴大及事故惡化[1-3]，從而保障礦井安全生產(chǎn)。

1 主通風機故障分析及常見故障診斷方法

礦井主通風機主要包括抽出式、壓入式及混合式三種供風方式，其中尤以抽出式工作方式應(yīng)用最為常見。而且對旋軸流式通風機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢主要包括供風效率高、能耗低、噪聲小，而且設(shè)備占用空間小，安裝使用較為方便。對于對旋軸流式通風機，其故障主要包括風機故障及電機故障兩類，具體介紹如下。

1.1 風機故障分析

風機由于長時間不間斷運行，容易發(fā)生振動異常、構(gòu)件松動、溫度過高、噪聲增大等故障。振動異常可能是由于電動機轉(zhuǎn)子不平衡、葉片偏心、轉(zhuǎn)子摩擦等引起的；構(gòu)件松動可能是由于裝配及安裝問題、長時間異常振動及共振、螺栓松動等引起的；溫度過高可能是由于裝配不當、異常摩擦生熱、潤滑不足等引起的；噪聲增大可能是由于振動及松動、轉(zhuǎn)子偏離、葉片損壞、軸承磨損等引起的。

1.2 電機故障分析

電機的構(gòu)成要素包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分，電機故障主要包括振動異常、聲音異常、溫度過高及異味等。其中以振動異常故障最為常見，產(chǎn)生原因也較多，例如電壓不穩(wěn)定、定子繞組不對稱、轉(zhuǎn)子偏心或不平衡、傳動裝置裝配不當?shù)龋瑢е码姍C負載增大、噪聲增大、壽命降低等；聲音異常預示著較為明顯的故障，應(yīng)引起足夠重視，出現(xiàn)的原因可能是電氣原因形成的電磁噪聲、軸承磨損形成的噪聲、傳動機構(gòu)件松動或摩擦引起的噪聲等；溫度過高或產(chǎn)生異味通常也預示著較嚴重的故障，出現(xiàn)的原因包括電機散熱不暢、電壓過大、電氣短路、繞組燒毀、電機燒毀等。

自工業(yè)革命以來，機電設(shè)備廣泛應(yīng)用并發(fā)展，逐漸形成了綜合性的故障診斷學科，其不僅局限于礦井主通風機的故障診斷，對整個學科所形成的故障診斷方法也是十分豐富的，主要包括基于解析模型的故障診斷方法、基于知識數(shù)據(jù)庫的故障診斷方法、基于信號處理的故障診斷方法3 種，又可細分為參數(shù)估計法、狀態(tài)估計法、等價空間法、專家系統(tǒng)法、模糊推理法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、故障樹分析法、時頻分析法、時序分析法等[4-8]。本文研究使用了模糊推理方法建立起故障診斷專家系統(tǒng)，對礦井主通風機的故障檢測及處置提供有效監(jiān)控及指導。

2 故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合故障診斷學科的基本原理，在對礦井主通風機各類故障案例進行大量統(tǒng)計分析及模糊推理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于模糊推理的故障診斷專家系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計流程

首先，明確故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計流程。整個系統(tǒng)的建立流程主要可分為4 步，如下頁圖1 所示。具體內(nèi)容為：第一步是大量故障案例及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析階段；在大量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立起第二步的信息模塊，該模塊主要包括3 個模型，分別是數(shù)據(jù)庫模型、知識庫模型、診斷推理模型（模糊推理模型），這是整個專家系統(tǒng)的知識及數(shù)據(jù)來源，是實施設(shè)備監(jiān)測及故障診斷的基礎(chǔ)；第三步是建立功能模塊，包括主通風機監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、系統(tǒng)幫助模塊、數(shù)據(jù)生成查詢及報警模塊等；第四步是建立結(jié)構(gòu)模塊，也就是系統(tǒng)的功能實現(xiàn)模塊，通過該模塊實現(xiàn)故障的診斷、處置等功能。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計流程

2.2 故障診斷專家系統(tǒng)的建立

按照既定流程，依據(jù)結(jié)構(gòu)化工作原理進行故障診斷專家系統(tǒng)的搭建。整個系統(tǒng)若要實現(xiàn)需要的設(shè)備監(jiān)測及故障診斷功能，并保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、診斷的精確性、良好的人機交互性等要求，需要建立以下功能模塊，具體的故障診斷專家系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控模塊

設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控模塊主要對主通風機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，可以分別實現(xiàn)通風方式選擇、風機選擇、參數(shù)調(diào)控、控制操作等，包括正常通風方式和反通風方式兩種，可以選擇1 號或2 號主通風機；可以對各子系統(tǒng)實施運行控制；可以對兩個主通風機的負壓全壓數(shù)據(jù)、繞組及軸承溫度、風速、氣流、瓦斯?jié)舛鹊冗M行不間斷監(jiān)測，并通過以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)運行監(jiān)測與控制、異常報警、數(shù)據(jù)處理等功能。

2.2.2 模糊推理及故障診斷模塊

模糊推理及故障診斷模塊包括自動故障診斷和模糊推理診斷兩項功能。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主通風機運行參數(shù)超限，會啟動模糊推理及故障診斷模塊，將監(jiān)測到的參數(shù)上傳數(shù)據(jù)庫進行比對，從而識別故障類型，發(fā)出故障警報，查找故障原因，出示故障處置方法，為用戶提供精準的故障處置方法，實現(xiàn)故障快速有效診斷。由于主通風機結(jié)構(gòu)復雜，故障類型也呈現(xiàn)多樣性和復雜性，一些非正常運行如果只靠專業(yè)人員調(diào)查解決，難免難度大、工作量過大，而模糊推理及故障診斷的功能是結(jié)合專家系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫進行推理以確定故障類型及其原因，大大提高了處置效率。

2.2.3 即時報警及應(yīng)急處置模塊

當系統(tǒng)監(jiān)測并識別出故障時，必須及時發(fā)出警報，并迅速確定故障類型、故障位置，并提出有效的應(yīng)對措施，然后工作人員根據(jù)專家系統(tǒng)建議再實施一系列的故障應(yīng)急處置，處置過后系統(tǒng)會對故障信息及處置情況進行記錄，生成報表，以便查詢及分析。

2.2.4 人機交互模塊

一個好的系統(tǒng)必須具備良好的人機交互性。人機交互性的好壞，主要體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶通過主界面來使用系統(tǒng)不同的功能模塊，可進行參數(shù)的調(diào)整、數(shù)據(jù)的查詢、報表的生成，最主要的是整個設(shè)備監(jiān)控及故障診斷的過程與結(jié)果均會通過人機交互的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，從而方便技術(shù)人員更好地利用系統(tǒng)來進行主通風機的應(yīng)用和管理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

整個故障診斷專家系統(tǒng)可以根據(jù)礦井具體情況及任務(wù)需求，利用系統(tǒng)內(nèi)的各類傳感器、信號傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、模糊推理及診斷系統(tǒng)等模塊，完成系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，在系統(tǒng)的實現(xiàn)階段利用Access 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及MATLAB 編譯程序完成系統(tǒng)軟件開發(fā)。開發(fā)的礦井主通風機監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)界面如下頁圖3 所示。類似常規(guī)的Windows 窗口界面，工作人員可以方便地對主通風機實施啟停、緊急制動、參數(shù)調(diào)整等操作，還能夠選擇使用通風機及通風方式，具備數(shù)據(jù)查詢、曲線及報表生成等功能。對于最為核心的故障診斷模塊，以噪聲異常故障為例，系統(tǒng)會根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)所上傳的實時數(shù)據(jù)進行分析，依據(jù)模糊推理的概率，自動診斷出故障原因為“轉(zhuǎn)子葉片磨損過大”，解決方案是“及時維護并更換葉片”等，工作人員可根據(jù)提示進行人工排查并處置，及時解決故障問題。

圖3 礦井主通風機監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

礦井主通風機安全監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)作為煤礦信息化及智能化的重點突破方向，作用會越來越凸顯，也會得到更多的重視和發(fā)展。對于系統(tǒng)的設(shè)計改造，推倒重建是一個思路，但投入成本大，對現(xiàn)有生產(chǎn)過程影響大，不易施行；而在現(xiàn)有設(shè)備和條件的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)更新改造，基于具體的礦井生產(chǎn)和應(yīng)用條件，通過較小的投入、較短的工期，實現(xiàn)對設(shè)備的有效監(jiān)控和故障的應(yīng)急處置，不失為一個好的思路。礦井主通風機故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)取得了成功，利用新技術(shù)和產(chǎn)品進行升級改造，并成功地進行了工業(yè)性試驗，取得了良好的應(yīng)用效果，大大降低了成本、縮短了工期，提高了礦井主通風機運行的可靠性及礦井安全管理水平。