煤礦主通風機可靠性維護管理系統的研究

鄭晨晨

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

煤礦通風系統對礦井的正常運行具有至關重要的作用，礦井通風性差，長期的煤礦開采使得礦井積累了大量的粉塵和有毒有害氣體，而煤礦主通風機作為煤礦通風系統的關鍵設備，不僅可以將粉塵和有毒有害氣體排除，而且可以將外界新鮮空氣源源不斷地輸送進來，對改善礦井環(huán)境和提升工作人員健康狀態(tài)具有明顯的作用。傳統煤礦主通風機系統在數據監(jiān)測和設備管理上技術手段較落后，不僅對主通風機各類指標數據的監(jiān)測覆蓋率低，而且管理智能化程度低，無法根據現有監(jiān)測數據及時發(fā)現運行中可能出現的隱患和故障[1-2]，對主通風機整體可靠性作出預測。為此，本文基于MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件設計了一套煤礦主通風機可靠性維護管理系統。

1 煤礦主通風機系統可靠性影響因素

根據實際現場運行經驗，煤礦主通風機可靠性運行的影響因素包括三個方面，分別為設備本體因素、外界環(huán)境因素、管理技術因素。三個因素相互影響，相互制約，共同作用。其中設備本體因素主要為設備質量、性能及后期的運維保養(yǎng)；外界環(huán)境因素包括礦井溫度、風壓、瓦斯?jié)舛取L速、設備工作電流等；管理技術因素包括自動化管理技術水平、管理維護策略等[3]。

一個可靠的煤礦通風系統需要具備如下條件：礦井環(huán)境質量達到國家標準并能持續(xù)保持；可自適應調節(jié)礦井風量、風速、風壓，降低粉塵及有害氣體濃度，調控事故的風險性；系統在運行過程中，以經濟節(jié)能的工作方式運行。

研究設計主通風機可靠性維護管理系統非常有必要。該系統不僅可以時刻監(jiān)測主通風機及環(huán)境的狀態(tài)信息，而且可以根據監(jiān)測信息智能預測隱患和故障，并提供合理的設備維護策略，實現遠程監(jiān)測和控制功能。本文從兩個方面設計主通風機可靠性維護管理系統，一是構建系統需要的硬件基礎，二是軟件平臺。

2 煤礦主通風機可靠性維護管理系統框架基礎

圖1 所示為主通風機可靠性維護管理系統框架基礎圖。整個管理系統由上位機監(jiān)控平臺、底層數據采集子系統、可靠性分析與管理子系統組成。上位機監(jiān)控平臺通過組態(tài)監(jiān)控軟件MCGS 進行開發(fā)，負責實現現場運行數據的監(jiān)測顯示、存儲、故障判斷及預警、可靠性預測結果顯示、控制指令下發(fā)等功能；底層數據采集子系統由PLC 控制器、傳感器檢測單元、變頻調速單元、主通風機系統及環(huán)境組成，負責對主通風機的運行參數及環(huán)境參數進行監(jiān)測、上傳，同時擁有對主通風機的變頻調速功能，可實現風速、風量、風壓的自適應調節(jié)；可靠性分析與管理子系統基于上位機MATLAB 軟件進行開發(fā)，采用BP 神經網絡算法對采集到的模擬量、數字量進行處理分析，建立主通風機可靠性評價機制，為可靠性維護提供數據支持。

2.1 井上遠程控制室硬件方案設計

下頁圖2 所示為井上遠程控制室硬件方案。井上遠程控制室由監(jiān)控主站、監(jiān)控分站、打印機、交換機、通信服務器、數據庫服務器、Web 服務器等組成。監(jiān)控主站內置組態(tài)監(jiān)控軟件MCGS，監(jiān)控分站內置MATLAB 軟件。這是可靠性維護管理系統的網絡硬件基礎，通過這些設備，管理系統可以穩(wěn)定運行，利用大容量快速度的服務器可以高效率地實現監(jiān)測數據的采集、分析及結果預測，可運轉復雜的智能控制算法。控制室設備之間通過以太網互聯，同時交換機與井下PLC 控制器也通過以太網進行連接。

圖2 井上遠程控制室硬件方案

2.2 井下數據采集及控制系統硬件方案設計

圖3 所示為井下數據采集及控制系統硬件方案，由PLC 控制器、變頻調速系統、各類礦用傳感器組成。礦用傳感器包括溫度傳感器、振動傳感器、風速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒐怆娛睫D速傳感器、風壓傳感器，負責對主通風機的工況信息及周圍環(huán)境的狀態(tài)信息進行監(jiān)測，并通過PLC 上傳給可靠性維護管理系統軟件，數據信息可用來進行故障預警及可靠性評估；PLC 控制器起承上啟下的作用，負責數據處理、變頻調速系統頻率給定控制、控制調速、故障預警等；變頻調速系統負責對主通風機進行變頻調速控制，可讓通風機自適應調節(jié)電動機轉速。

圖3 井下數據采集及控制系統硬件方案

3 主通風機可靠性維護管理系統平臺設計

可靠性維護管理系統基于MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件進行開發(fā)，MCGS 組態(tài)軟件位于監(jiān)控主站，MATLAB 軟件位于監(jiān)控分站，監(jiān)控主站與監(jiān)控分站之間通過內部以太網進行數據傳輸。

BP 神經網絡算法是基于MATLAB 軟件運行的，并將實時信息通過通信服務器與MCGS 監(jiān)控平臺進行傳輸。根據主通風機可靠性管理需求，系統將MCGS 監(jiān)控平臺分為五大模塊，分別包括登錄模塊、采集參數設置模塊、可靠性預測與維護模塊、數據顯示與管理模塊、幫助模塊，系統框圖如圖4 所示。

圖4 主通風機可靠性維護管理系統平臺框圖

3.1 登錄模塊

登錄模塊包括用戶登錄、用戶注銷、新增用戶功能。該模塊主要是為了賦予工作人員使用權限，防止外部非法用戶登錄管理系統，實現系統管控。

3.2 采集參數設置模塊

采集參數設置模塊負責對主通風機系統的各類參數進行標準設置，包括底層傳感器數據傳輸通道選擇、數據采樣頻率設定、負壓上下限報警設置、自動變頻給定等。

3.3 可靠性預測與維護模塊

該模塊由可靠性預測界面、故障診斷界面、故障預警界面、維護策略界面構成。可靠性預測及故障診斷采用了BP 神經網絡算法，通過對數據信號的分析和特征提取，導入建立的BP 神經網絡模型中，進行主通風機的可靠性預測及故障診斷，通過故障類型類推故障原因，提供相應的系統維護策略。系統將主通風機系統的可靠性進行了等級劃分，智能模型會根據不同等級給出不同的維護策略，一旦超出等級范圍，將進行故障預警。

3.4 數據顯示與管理模塊

數據顯示與管理模塊由實時數據曲線、歷史數據曲線、數據存儲查詢、報表下載等組成。該模塊可將主通風機的溫度、振動、轉速、啟停等信號，礦井中的風速、風壓、瓦斯?jié)舛鹊刃盘栆詫崟r曲線的形式進行顯示。各種信號分別在不同的界面框圖中顯示，各種信號的曲線顏色也不相同。歷史數據曲線同樣如此。

4 實際應用效果

該系統研究設計開始于2019 年5 月，于2020年7 月完成整套系統的設計工作，目前已經投入運行1 年零1 個月。從整體運行情況來看，通過該可靠性維護管理系統，實現了對主通風機設備及周圍環(huán)境的全方面監(jiān)測，并以良好的可視化環(huán)境呈現給工作人員；通過BP 神經網絡算法的智能分析，實現了對主通風機的可靠性預測，預測結果比較準確，大大提升了對主通風機的管理水平；借助BP 神經網絡算法可以給出合理的維護策略，表明系統具有較強的實用性和可靠性，可向煤礦企業(yè)進行推廣使用。

5 結論

研究設計的煤礦主通風機可靠性維護管理系統，硬件上以普通PC 為上位機，以服務器、PLC 控制器、各類傳感器、變頻調速單元為基礎，軟件上采用MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件聯合開發(fā)，該系統可對主通風機工況信息和環(huán)境信息進行全方位、全生命周期的動態(tài)監(jiān)測，擁有對主通風機的可靠性預測機制和故障診斷機制，根據結果可提供相應的管理維護策略，集監(jiān)測、預測、診斷、控制于一體，顯著提高主通風機管理的智能化和自動化程度。