礦井主通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

龍秉政

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

引言

主通風(fēng)機是礦井最關(guān)鍵的機電設(shè)備之一，其主要任務(wù)是供給井下足夠的新鮮空氣，滿足工作人員對氧氣的需要，同時沖淡或攜出有毒有害氣體，優(yōu)化并保障工作環(huán)境的安全性。礦井主通風(fēng)機全年24 h不間斷運轉(zhuǎn)，源源不斷地將新鮮空氣送入井下。一旦其發(fā)生故障停止運轉(zhuǎn)，一是要快速切換備用通風(fēng)機進行不間斷供風(fēng)，二是要對故障進行迅速診斷并處置，盡快恢復(fù)設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。因此，如何保障通風(fēng)機長期穩(wěn)定運行至關(guān)重要。對于礦井主通風(fēng)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(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)，在系統(tǒng)監(jiān)測的基礎(chǔ)上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(fēng)機系統(tǒng)組成及狀態(tài)參數(shù)采集

礦井主通風(fēng)機主要包括抽出式、壓入式及混合式三種供風(fēng)方式，其中尤以抽出式工作方式應(yīng)用最為常見。其工作原理是通過葉輪的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，將機械能轉(zhuǎn)化并輸送出空氣流體。目前對旋軸流式通風(fēng)機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢主要包括供風(fēng)效率高、能耗低、噪聲小，而且設(shè)備穩(wěn)定性高、占用空間小、安裝使用較為方便。本次研究工作的對象為在各礦區(qū)廣泛應(yīng)用的FBCDZ型對旋軸流式通風(fēng)機。其組成部分包括集流器、整流罩、擴壓器、葉輪、風(fēng)機、電機、軸承等[4-5]。

當(dāng)前我國礦井主通風(fēng)機普遍配備了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，目的是對主通風(fēng)機的運行狀態(tài)進行全程在線監(jiān)控。基于分布在通風(fēng)機內(nèi)的信號采集裝置，不斷搜集、上傳相關(guān)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計分析設(shè)備各種故障及隱患情況，從而對故障的診斷處置提供指導(dǎo)。而對主通風(fēng)機的在線監(jiān)測，主要監(jiān)測參數(shù)包括設(shè)備溫度及振動情況，一旦監(jiān)測到的信號參數(shù)超過設(shè)定的警戒值，就會發(fā)出故障警報。常見的主通風(fēng)機傳感器布置模式如圖1所示。對風(fēng)機和電機兩側(cè)的軸承均實施溫度監(jiān)控，設(shè)定的溫度報警值為65℃。同時對風(fēng)機實施水平和垂直方向上的振動監(jiān)測，對電機、軸承實施水平和垂直方向上的軸承振動監(jiān)測。

圖1 主通風(fēng)機傳感器布置示意圖

2 主通風(fēng)機故障類型

礦井主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機械及電氣元件較多，在長時間不間斷運行的工況條件下，較難保持長時間健康穩(wěn)定的運行狀態(tài)，故障類型較多，故障頻次也相對較高。其具體主要包括風(fēng)機故障及電機故障兩類[6-8]，分別介紹如下：

2.1 風(fēng)機故障

風(fēng)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)子出現(xiàn)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(dāng)、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、軸承磨損等產(chǎn)生的。

2.2 電機故障

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、溫度過高及產(chǎn)生異味等。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(dāng)?shù)染锌赡軐?dǎo)致電機的異常振動，致使電機負載增大、噪聲增大、壽命降低等；電機聲音異常預(yù)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)松動或摩擦引起的噪聲等；電機溫度過高或產(chǎn)生異味通常也預(yù)示著較嚴(yán)重的故障，出現(xiàn)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。

3 主通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為有線通信方式，存在布線復(fù)雜、線路故障率高、安裝與維護成本高等缺點。與傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不同，本系統(tǒng)設(shè)計采用以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)的無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在各種類型的無線通信方式中，Zigbee通信具備功耗低、信號強、網(wǎng)速快、成本低等優(yōu)勢，非常適宜應(yīng)用在礦井主通風(fēng)機的在線監(jiān)測系統(tǒng)中。基于Zigbee通信技術(shù)，建立礦井主通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。該系統(tǒng)的組成部分主要包括上層的數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、監(jiān)測中心站、防火墻等，在中間層布置各網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場總線及監(jiān)測結(jié)構(gòu)，經(jīng)過各協(xié)調(diào)節(jié)點與路由節(jié)點，與下層的各傳感器節(jié)點形成傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的實時上傳與分析，從而實現(xiàn)在線實時監(jiān)控的目的。傳感器節(jié)點除了進行溫度及振動信號的監(jiān)測以外，還會安裝傳感器對通風(fēng)機的噪聲、風(fēng)速參數(shù)等，提高系統(tǒng)的監(jiān)控覆蓋面。數(shù)據(jù)采集并逐級上傳后，最終在監(jiān)測中心站進行計算分析，并進行設(shè)備運行狀態(tài)的實時顯示、故障預(yù)警及分析處置。

圖2 在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3.2 設(shè)備故障的快速診斷及處置

基于在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，主通風(fēng)機的故障診斷還應(yīng)用到數(shù)據(jù)的模糊推理和分析診斷。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主通風(fēng)機運行參數(shù)超限，會啟動模糊推理機故障診斷模塊，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(zhǔn)的故障處置方法，實現(xiàn)故障快速有效診斷的目標(biāo)。由于主通風(fēng)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障類型也呈現(xiàn)多樣性和復(fù)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。當(dāng)監(jiān)測并識別出故障時，系統(tǒng)會及時發(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，之后系統(tǒng)會對故障信息及處置情況進行記錄，生成報表，以便事后查詢及分析。

3.3 人機交互軟件研發(fā)及應(yīng)用

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，首先體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶通過主界面來使用不同的功能模塊，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(fēng)機的應(yīng)用和管理。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編譯程序來完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，類似常規(guī)的Windows窗口界面，工作人員可以方便地對主通風(fēng)機實施啟停、緊急制動、參數(shù)調(diào)整等操作，還能夠選擇通風(fēng)機及通風(fēng)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)上傳的實時數(shù)據(jù)進行分析，依據(jù)模糊推理概率大小，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”，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。

4 結(jié)語

礦井主通風(fēng)機在線監(jiān)控系統(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。本文通過以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)Zigbee無線通信技術(shù)的應(yīng)用，建立起礦井主通風(fēng)機在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用三層架構(gòu)設(shè)計，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)逐級上傳，基于模糊計算原理在監(jiān)測中心站進行分析，并在人機交互軟件中進行設(shè)備運行狀態(tài)的實時顯示、故障預(yù)警及分析處置。結(jié)合軟硬件的研發(fā)及測試，驗證了該系統(tǒng)的各項指標(biāo)性能，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，有利于保障煤礦主通風(fēng)機安全高效通風(fēng)。