礦井通風監測控制系統的可靠性分析

趙 健

（晉能控股煤業集團晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

礦井通風系統負責向井下供給新鮮空氣，同時起到排出瓦斯等有毒有害氣體與抑制煤塵、煙塵等作用[1]。為了保證生產系統的安全運行，需要對通風系統的運行參數、巷道環境參數等進行實時監控，及時發現安全隱患，采取有效解決措施[2]。通風監控系統通常由若干部分組成，設備網絡較為復雜，系統的可靠性是井下通風效率的重要保障。如果在運行過程中，監控系統的設備出現故障，會對通風網絡的監測參數造成影響，誤導工作人員作出錯誤判斷，為井下的生產工作帶來威脅[3-4]。因此，研究并分析通風監控系統的可靠性，建立系統的可靠壽命模型，對于保障礦山安全具有重要意義。

1 通風監控系統

煤礦通風監控系統集計算機技術、網絡通信技術、傳感器技術等于一體，實現礦井通風網絡的綜合化管理，保障煤礦安全、高效生產[5]。目前，國內煤礦采用的通風監控系統主要組成結構如圖1 所示，系統采用樹形網絡結構，包括地面監控主機、網絡交換機、遠程監控中心、控制器、變頻器與傳感器設備等裝置，具有對通風參數模擬量、數字量的采集、傳輸、計算、控制與報警等功能。在運行過程，系統會發生不同形式的故障，從實際情況觀察可知，地面設備、人為因素與軟件的故障概率較小，而井下監控分站與傳感器設備對系統可靠性的威脅較大。因此，從礦井通風網絡的硬件結構入手，評估監控系統的可靠性，可有效提高通風網絡設備的安全管理效率，保障通風系統可靠運行[6]。在本文研究過程中，將系統中風速、瓦斯等傳感器與監控分站組成不同子系統，方便系統整體的可靠性評估。

圖1 通風機監控系統整體結構

2 可靠性理論與方法

2.1 可靠性評價指標

在對系統進行可靠性分析時，需要用到各種數量指標，包括失效概率密度、可靠度、平均壽命與失效率等[7-8]。

1）失效概率密度是累計失效概率對時間的導數，表示單位時間內的失效概率，記作f（t）。累計失效概率描述產品的使用壽命，記作F（t），且F（0）=0，F（+∞）=1。失效概率密度公式如下：

2）可靠度用于描述規定條件下在規定時間內完成規定功能的概率分布，可靠度是描述時間的函數，記作R（t），證明規定時間越短，產品實現功能的概率越小。可靠度與失效概率密度、累計失效概率的關系如式（2）、式（3）所示：

3）平均壽命指被測產品壽命的期望，記作θ，計算公式為：

推導得：

可知，通過積分可靠性函數可得到產品的平均壽命。

4）失效率反映產品的失效規律，描述t 時刻產品正常工作，在[t，t+Δt]時間段內的失效概率，計算公式如下：

2.2 可靠性研究方法

本文通過對通風網絡進行可靠性預計，判斷系統可靠性是否滿足實際需要。可靠性預計是根據產品以往的故障數據與工程經驗，并結合產品零部件的故障失效率來預測實際的可靠度。可靠性預計可協調產品設備的參數，合理提高可靠度，通過選擇最優方案，采取必要措施，降低產品的失效率。將系統的故障率記為λs，則計算公式如下：

式中：λpi表示第i 個零部件的故障率；N 表示零部件的種類數量；Ni表示第i 個零部件的數量；λb表示基本故障率；πe、πR、πA、πS、πC分別表示零部件的環境因子、電流因子、應力因子、電壓因子與配置因子；M 為故障數量。

系統的可靠性預計平均壽命MTBF=1/λs。

3 可靠性模型分析

由于井下環境復雜，通風監控系統的井下設備受到的干擾因素較多，是通風系統故障的重災區。因此，本節針對井下的主要設備進行可靠性預計，具體包括監控分站與傳感器設備可靠性預計，并對系統整體進行可靠性分析，評估壽命。

3.1 監控分站可靠性預計

監控分站主要負責采集參數的預處理與指令傳輸工作，以KJ90-F8 監控分站為例進行可靠性預計，設備溫度150 ℃，環境溫度選取40 ℃，根據器件規范，得到各零件失效率，如表1 所示。

由表1 可知，各零部件的失效參數，通過式（7）與式（8）可計算得到監控分站的失效率λh與平均壽命MTBFh。

表1 監控分站零件失效率

3.2 傳感器可靠性預計

監控系統中傳感器設備包括風速傳感器、瓦斯傳感器與風壓傳感器等，以GFW15 風速傳感器為例進行可靠新預計，其環境參數與監控分站相似，各零部件的失效率參數如表2 所示。

表2 風速傳感器零件失效率

通過式（7）與式（8）可計算得到風速傳感器的失效率λ1與平均壽命MTBF1。同理，可計算得到瓦斯傳感器、風壓傳感器、溫濕度傳感器等設備的失效率λm與平均壽命MTBFm，其中m 為傳感器個數。

3.3 系統整體可靠性分析

通過上述分析，得到了監控分站與各傳感器設備的失效率與平均壽命，根據可靠度與失效率之間關系：

由式（9）可計算得到各設備在工作1 000 h 后的可靠度R。通風監控系統為樹形監控網絡，系統整體可靠度與各子系統可靠度之間關系如下：

式中：m 為組成系統的子系統個數，子系統之間為并聯關系；n 為各子系統的元器件串聯個數。本文研究的預計模型中，m 與傳感器個數相等，n=2。

通過式（10）可計算得到整個監控系統在工作1 000 h 后的可靠度Rs，根據上述公式推導，可進一步得到系統的失效率λs與平均壽命MTBFs。根據煤礦安全監控系統的技術標準，煤礦安全監控系統所需實現規定功能的平均故障壽命不應小于800 h，通過與計算得到的MTBFs對比，可評估煤礦通風監控系統的可靠性是否達標。

4 結論

本文針對煤礦通風系統井下設備故障頻發的情況，建立了一種可靠性評估方法，選取了失效概率密度、可靠度、平均壽命與失效率4 種可靠性指標，將監控系統分為若干子系統，分別計算得到監控分站與傳感器設備的可靠性指標，通過子系統之間的串并聯關系，得到整個監控系統的可靠性指標進行平均壽命的評估。本文建立的可靠性評估模型，結合礦山特點，可有效反映與估計整個通風系統的運行狀態和安全壽命，對建立高效、安全的數字化煤礦具有十分重要的實用價值。