礦井主通風機智能監(jiān)控方案及系統(tǒng)的設計

劉 寧

（山西靈石華瀛天星集廣煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031300）

引言

當前，我國煤礦采用的主通風機設計不合理，實際工礦和原定工礦差距較大；主通風機選型過大，設置的安全風量遠遠超過實際需風量，造成電能極大浪費。因此，主通風機供風量需要根據(jù)實際需要，進行智能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能安全生產(chǎn)[1]。作為大型礦井通風系統(tǒng)關鍵設備的主通風機，需要研發(fā)相應的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測和智能控制。

當前國外廣泛使用的主通風機監(jiān)控系統(tǒng)有德國公司的TLT型監(jiān)控系統(tǒng)和波蘭公司的SWUP型監(jiān)控系統(tǒng)，上述系統(tǒng)智能化水平高、安全可靠，為世界各國廣泛采用。相比之下，國內(nèi)主通風機監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，但發(fā)展迅猛，目前風量調(diào)節(jié)和一鍵倒機等基本功能均已實現(xiàn)。目前，國內(nèi)主通風機監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從簡單監(jiān)測跨越到智能監(jiān)控，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺連接了主通風機監(jiān)控系統(tǒng)和全礦綜合調(diào)度，完成了對現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控，有效保證了礦井的安全可靠生產(chǎn)，提高了系統(tǒng)自動化水平。主通風機調(diào)節(jié)風量可以分為以下四種方式：變頻調(diào)節(jié)、動葉調(diào)節(jié)、軸向?qū)Я髌髡{(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)。國內(nèi)外學者對上述四種方式做了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)相對節(jié)能。國內(nèi)對于風量調(diào)節(jié)研究相對較晚，但進展較快。有學者對變頻器調(diào)速系統(tǒng)采用模糊PID進行控制[2]，并利用MATLAB進行仿真實驗，通過控制器的查詢表，完成了PLC。上述，多數(shù)國內(nèi)學者采用智能控制算法優(yōu)化和設計控制器，但相對較少研究風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因而設計控制器不適用大型礦井。主通風機在長期運行過程中可能會出現(xiàn)故障，對其故障識別和排查顯得尤為重要。傳統(tǒng)方法是工程師結(jié)合自身經(jīng)驗和故障特征進行故障診斷，該方法具有主觀和局限性，當前是神經(jīng)網(wǎng)絡分析與故障信號相結(jié)合占據(jù)主流。信號分析方法主要包括小波變換、希爾伯特黃變換和短時傅里葉變換，其中短時傅里葉變換最為經(jīng)典。在獲得信號參數(shù)后，需要對故障診斷，通常采用的方法有故障樹專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯和支持向量機，其中以支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡最為常用。

1 主通風機智能監(jiān)控方案

本章簡述常用風量調(diào)節(jié)方式和對軸流式通風機的工作原理[3]，從而確定風量調(diào)節(jié)方式，為風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)展開數(shù)學建模，并進行了仿真研究；根據(jù)機械故障機理，從而對智能監(jiān)控系統(tǒng)需要整體結(jié)構(gòu)和監(jiān)測的參數(shù)進行了確定，最后設計和完成主通風機智能監(jiān)控方案。

平煤五礦采用軸流式風機ANN-3600/2000N型作為主通風機，軸流式通風機的工作原理是，首先從進風口軸向吸入空氣進入葉輪，葉輪推動空氣進入導葉，其次導葉使空氣流向轉(zhuǎn)化為軸向流動，最終空氣輸入擴壓器，完成對井下的供風，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主通風機結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)工作原理的不同，變頻器分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種，交-交變頻器由于輸出功率因數(shù)較低，因而，目前交-直-交變頻器使用最為普遍，如圖2所示。

圖2 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖

主通風機運行過程時，可出現(xiàn)多種故障，可以分為轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中和軸承故障。通過提取主通風機故障信號特征參數(shù)，可以實現(xiàn)主通風機機械故障的有效診斷。

主通風機需要對電機溫度、電參數(shù)、風量以及振動信號等參數(shù)實時監(jiān)測，保證主通風機安全可靠運行。

調(diào)節(jié)風量主要手段為調(diào)節(jié)風速，調(diào)速控制算法中，尤以PID控制最為常用。PID控制關鍵步驟是對PID參數(shù)進行整定，可分為試湊法和理論計算法，理論計算往往與實際不符，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)試；而試湊法則是根據(jù)實際工況調(diào)試得來，相比簡單一些。PID參數(shù)一旦確定，往往不能進行更改，因此模糊PID控制應運而生。模糊PID控制模式通常分為兩種：PID控制與模糊控制分開控制系統(tǒng)；模糊控制在調(diào)節(jié)兩種控制器時難以確定切換時間點，因此，大多工程使用第二種方式來達到模糊PID控制。由于模糊PID控制存在人為進行比例因子和量化因子試湊缺陷，需要通過遺傳算法對進行尋優(yōu)，從而達到更佳的控制效果。

主通風機機械故障診斷由于存在頻域分析方法的缺點，故采用EEMD算法分析故障信號，通過對比EMD分析，證實EEMD在抑制模態(tài)混疊可發(fā)揮有效作用；采用EEMD算法分解5種運行狀態(tài)通風機的振動信號，通過能量熵的方式提取特征參數(shù)，然后應用到神經(jīng)網(wǎng)絡中；最后在SOM神經(jīng)網(wǎng)絡算法中進行研究，采用MATLAB模擬測試，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡SOM只存在一處數(shù)據(jù)識別錯誤，說明神經(jīng)網(wǎng)絡SOM機械故障排查方面識別率較高。

2 主通風機智能監(jiān)控設計

2.1 硬件設計

如圖3所示，本課題PLC控制系統(tǒng)硬件設計圖。整個控制系統(tǒng)核心控制部件為PLC，包括整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，實時監(jiān)測風量、溫度和電信號參數(shù)等的變化，并實時顯示監(jiān)測數(shù)在上位機上；接受上位機的操作命令，通過現(xiàn)場的變頻器與PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線進行通信，并接受上位機的程序指令，實現(xiàn)對風機電機和風門的控制；主通風機運行期間發(fā)生故障，會發(fā)出聲光報警，除此之外，過往的數(shù)據(jù)可以存儲在上位機上，可以通過打印機直接打印。

圖3 PLC控制器硬件結(jié)構(gòu)

設計PLC控制系統(tǒng)時，選擇器件需要根據(jù)實際情況，綜合考慮多種因素，在設計功能實現(xiàn)的基礎上，盡可能簡單經(jīng)濟實用。首先，I/O模擬量數(shù)字量點需要確定，監(jiān)控規(guī)模大小需要確定，并盡可能增加一點裕量，以備系統(tǒng)后續(xù)擴建；其次，根據(jù)需求選擇PLC模塊各個模組型號，包括通訊模塊信號CPU型號和電源模塊型號等；最后，I/O地址需要進行分配，傳感器所用型號需要確定，除此之外，特殊功能模塊的使用需要兼顧，最終完成和設計PLC控制系統(tǒng)。

2.2 軟件設計

主通風機智能監(jiān)控軟件設計包括兩部分，即上位機監(jiān)控界面設計和PLC程序設計。PLC程序設計可通過TIAPortal完成，借助TIAPortal中可以完成PLC程序的設計、硬件組態(tài)和調(diào)試等；采用組態(tài)王6.55可以實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件的設計，組態(tài)王可實現(xiàn)一種高效軟件設計環(huán)境，主通風機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控可通過設計各組件的監(jiān)控畫面完成。

3 實驗驗證結(jié)果

實驗采用仿真模型，證明PID控制效果中模糊PID控制器更佳，離線尋優(yōu)通過遺傳算法進行。通過對主通風機機械故障分解變換，發(fā)現(xiàn)EMD算法模態(tài)混疊的缺陷，采用EEMD算法進行優(yōu)化，通過能量熵提取振動信號的特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡SOM神經(jīng)網(wǎng)絡SOM機械故障排查方面識別率較高。