煤礦通風機智能監測及故障診斷系統研究

李春潮

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部寺河煤礦，山西 晉城 048205）

在整個煤礦通風的系統中起重要作用的機械設備是礦井通風機，所以在其出現問題時要立即終止工作對其進行維修，由此可以看出通風機的檢修與維護十分重要[1]。針對此，設計采用了由智能控制和電力電子技術、傳感器與通信技術以及故障監測技術聯合組成的可監測通風機故障的監控與診斷系統。

1 礦井通風機智能監測及故障診斷系統的開發

1.1 系統開發思路

建設一個專門用來監測診斷通風機故障的智能系統，以此來實現遠程監控通風系統，及時對其所產生的故障進行診斷，并對相應故障予以解決的目的。

可依據風機不同的狀況以及當時礦井的通風標準，進行遠程操控，借助高壓變頻系統來達到對指令的迅速反應，從而達到封閉操控風機的效果。

以設備的實況數據以及以往的參數為依據，對目前的機器情況及時做出測評，以此來達到事故預警的效果，并給出所分析出的可能故障起因以及可參考的解決方法等，還會相應提出日常檢修計劃[2]。

上述的三個階段是相互關聯并不斷深入的，對通風機的事故診斷、問題以及解決進行了作答，這將有利于保障通風機的正常安全運行。

1.2 系統結構

圖1 所示為智能監測通風機以及相應的事故診斷系統的設計構想，其主要分為監測監控系統和視頻監控系統兩部分。其中，監測監控系統分為上下位機系統。配有PLC 的下位機在整個監測監控系統中處于核心地位，其核心工作是采集數據以及進行通訊；傳感器可以分為溫濕度、煙霧以及風量傳感器三大類，下位機將這三類的傳感器數據進行輸送，運至負責數據通訊的裝置處。上位機的核心部件是位于主通風機處的監控主機以及位于機電隊的兩臺工業計算機，而且兩者都借助了MCGS 系統來完成組態工作，接收并儲存下位機輸送來的數據，并且在此基礎上對其進一步加以分析，從而完成預警工作，而且還要時時保持和下位機的通信溝通，以此實現遠程操控通風機的功能。

圖1 礦井通風機只能監控系統結構示意圖

2 系統主要功能

2.1 設備運行管理功能

設備主要顯示振動幅值、電機電流、當前負荷、溫度等參數；設備運行動畫、各個測點的實時數據則在主界面上顯示；可以通過輸入時間數據查詢過去的參數狀態，且可以提供多種參數表現形式；可對以往事故和歷史警報進行查詢；在參數出現異常時，機器會發出報警。

控制方式切換：根據礦井的智能數據平臺以及互聯網通訊數據，整個通風系統會顯示氧氣、溫度、風速等數據，并展現出各數據的折線圖，其可作為選擇切換控制方式以及調控通風量的重要參考數據。相應對照的三種操控模式分別是開環、單回路閉環、串級閉環。這三種模式中，開環控制可以調控變頻器頻率，因此該方式可以對通風量大小進行直接調整。

2.2 設備故障管理功能

1）信號分析。可主要針對振動信號進行進一步分析，并展示出來，其分析內容具體包括：寸域分板波形、幅值、軸心軌跡、軸心位置、軸系運動仿真；小波變換頻域分析有頻譜、相位、瀑布圖、濾波分析、細化譜、倒頻譜、包絡分析；對趨勢及其相關趨勢分析，即改變任意一個或者更多的參數而引起的其他參數的改變。設立對各參數變化圖進行說明解釋的窗口，并將其放在顯示窗旁。其解釋說明內容包括該頻譜圖里的核心頻譜，以及出現異常的頻譜，并標明處于該種情況的頻譜下的設備狀況。

2）對故障進行診斷并提出建議。對設備的故障類型提出唯一的判斷結果，其顯示結果有三方面：所判故障結果；對目前情況進行評判；提出解決措施。

3）報警。如果出現異常情況，機器就會發出警報，并啟動應急系統。

2.3 設備檢修管理功能

1）根據以日、周、月、年為周期的檢修記錄和任務對設備檢修情況予以提醒。其中，日檢修提醒會以日為單位在打開本菜單時自動彈出。將檢修的任務單分為兩類：常規檢修和狀態檢修。其中，常規檢修主要是日常檢修通風機；狀態檢修則是針對通風機的問題故障以及實時狀態，對風機進行檢修，其檢修提醒內容包括未檢修設備號、對設備的狀態評估結果以及檢修項目。此外，該功能還能根據待檢設備所處的位置以及緊急與否給予優化檢修線路參考。

2）檢修歷史查詢。可通過輸入編號、日期、檢修員信息等信息來查找以往檢修歷史和檢修工單。

3）檢修工單。設立檢修工單，并硬性要求負責檢修的人員進行填寫，并將其與相對應的檢修任務書進行歸總。填寫維修工單的目的是達到全程跟進檢修工作，并對相關工作過程進行記錄。檢修工單的投入和使用，有助于對檢修歷史無法查詢的歷史問題進行解決，而且還有利于為企業積累設備檢修經驗。

4）檢修幫助。所給出的案例分析可以根據不同型號設備的維修經驗、相關知識和以往故障的分析情況通過檢修自動形成。這些分析可幫助查詢設備常見故障與解決措施。其和歷史查詢相比最大的優點和不同就是該功能需基于對以往數據的分析。

2.4 設備參數管理功能

1）設備基本參數。設備基本參數的主要類型有編號、使用說明、型號、生產商、出場日期、以及參數信息等。

2）設備更新管理。在更換新設備后，將新換設備等各種參數信息詳細錄入參數窗口中。該窗口在檢修工單中的“更換設備”目錄下。

3 實踐應用及效果分析

在設計并生產了該通風機的智能監測及故障診斷系統后，在某礦場進行了投入使用試驗[3]，其詳細使用成效如下：

1）建立了功能詳盡的“礦井主通風機智能變頻控制與故障診斷決策支持系統”，通過該系統的使用，對遠程監控以及判斷故障進行處理，以及對通風機的統籌管理進行了整合，實現了無人監控，促進了對通風機的安全管理，起到了節能減排的效果。

2）可對通風機進行變頻控制。借助變頻器來調整電機的通電量，從而控制風量大小，并有利于減少能耗。

3）解決了整個通風系統管理的相對滯后性和非線性問題。該問題主要通過主、副兩調節器的安裝和使用予以解決。以風量和轉速為參考信息，結合實際井下工作的情況，對風量進行調節，從而實現了對通風系統的控制。

4）將互聯網互通技術與通風機的事故診斷系統進行結合。將工作中收集到的通風機的轉速、電流情況、機體溫度等信息輸入信息分析系統來進行進一步的分析處理，從而分析得出設備是否出現故障；并借助多種信息傳感器對上述信息進行進一步補充，從而實現對故障的精確判斷。

5）實現了對整個通風系統的綜合管理和共同決策。根據專家經驗，配合以往的設備檔案資料以及實時工作狀態評估，同時利用事故預判系統對發生異常的部件進行分析，找出問題出現原因并提供解決措施，以此達到對設備情況的精準掌控，改革了以往的礦井維修方式。

6）裝設風門到位檢測控制裝置。該舉措解決了在風道中不易安裝傳感器、并對環境要求苛刻的問題，該裝置安裝后，可以對風門位置進行精準掌控，減少漏風現象，同時還提高了通風系統的工作效率，減少了能耗。