礦用軸流式風(fēng)機(jī)無人監(jiān)測控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

雷金亮

（山西寧武大運(yùn)華盛能源集團(tuán)有限公司，山西 忻州 036700）

大運(yùn)華盛礦屬于高瓦斯礦井，綜采作業(yè)時(shí)瓦斯的最大涌出量約為27.4 m3/t。該井下通風(fēng)采用了對(duì)角混合抽出式，井下的局部風(fēng)扇處選用的是2 臺(tái)FBDNO7.1/2*30 kW 對(duì)旋式局部風(fēng)機(jī)，采用了一用一備的布置結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的全壓運(yùn)行范圍是600～6624 Pa，產(chǎn)生的風(fēng)量范圍是480～650 m3/min。目前在對(duì)井下局部風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測主要采用了人工巡檢的模式，在井下設(shè)置了專門的機(jī)電組，安排3 人對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行巡檢。但由于井下各個(gè)局部風(fēng)扇的布置距離較遠(yuǎn)，因此采用人工巡檢的模式巡檢效率低，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)無法及時(shí)進(jìn)行處理，在巡檢過程中也難以發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的隱含故障，難以滿足井下通風(fēng)安全性的需求。

結(jié)合煤礦機(jī)電系統(tǒng)的升級(jí)改造，采用了一種新的礦用軸流式風(fēng)機(jī)無人監(jiān)測控制系統(tǒng)，以監(jiān)測與控制技術(shù)為核心，將多傳感器監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測及預(yù)警，能夠快速地對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障進(jìn)行判斷和定位。

1 無人值守控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行無人值守的核心需求是將分散的風(fēng)機(jī)進(jìn)行集中控制[1]，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，同時(shí)系統(tǒng)還能夠根據(jù)所監(jiān)測到的井下的環(huán)境狀態(tài)，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，能夠第一時(shí)間進(jìn)行故障分析、故障定位和故障預(yù)警。因此本文所提出的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無人值守控制系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)測、中央管理、現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

（1）現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)

由圖1，該系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)部分主要包括了風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個(gè)部分。對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測主要是通過各類傳感器設(shè)備及智能監(jiān)測儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)組振動(dòng)情況、機(jī)組溫度情況、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測；風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)部分，主要是通過啟動(dòng)柜、風(fēng)門電機(jī)啟停等，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足井下環(huán)境-風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求。

圖1 風(fēng)機(jī)無人值守控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）中央管理

中央管理部分主要是包括了通信系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)、視頻顯示單元等，主要是對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測單元的各類監(jiān)測信息進(jìn)行綜合及快速分析，及時(shí)、準(zhǔn)確地確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)測

遠(yuǎn)程監(jiān)測部分主要是將監(jiān)測結(jié)果顯示在監(jiān)控中心處，便于監(jiān)控人員能夠掌握井下的空氣狀態(tài)和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制功能，允許操作人員對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的靈活性和可靠性。

2 無人值守系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于煤礦井下的工作環(huán)境比較惡劣，風(fēng)機(jī)長期在高濕、高塵的環(huán)境下工作，因此對(duì)無人值守系統(tǒng)的工作可靠性和監(jiān)測精確性提出了更高的需求。結(jié)合無人值守監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，本文所提出的無人值守系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示[3]。

圖2 風(fēng)機(jī)無人值守控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)部分主要包括了監(jiān)控主機(jī)、PLC 控制模塊、信息交互模塊、風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)采集模塊（傳感器）等。

（1）PLC 控制模塊

PLC 控制模塊是該硬件結(jié)構(gòu)的核心，需要能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，因此選擇了西門子的SR-08型PLC 處理器，具有體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的優(yōu)勢，且網(wǎng)絡(luò)通信能力較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速分析和調(diào)用。

（2）傳感器

傳感器主要包括壓力傳感器和溫度傳感器。壓力傳感器主要是對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)壓和壓差進(jìn)行監(jiān)測，以便確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)是否符合通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)定值。為了滿足監(jiān)測可靠性的需求，選擇了APG-LC100 型風(fēng)壓傳感器，能夠使用自身所攜帶的穩(wěn)壓電源保證持續(xù)性的工作，因此具有較高的監(jiān)測精度。對(duì)井下溫度的監(jiān)測則選擇了GWWOS90 型數(shù)字傳感器，用于對(duì)井下巷道環(huán)境溫度、風(fēng)機(jī)電機(jī)的表面溫度進(jìn)行監(jiān)測。該數(shù)字傳感器還具有溫度實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)信息交互功能，滿足不同工況下的使用可靠性需求。

機(jī)械振動(dòng)傳感器主要是對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，能夠通過不同的振動(dòng)頻率對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械故障進(jìn)行快速判斷。考慮到風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中本身就具有較大的振動(dòng)，因此機(jī)械振動(dòng)傳感器在選擇的時(shí)候不僅需要具有較高的監(jiān)測精度，還需要具備雜波剔除和波形轉(zhuǎn)換功能。在綜合各類因素后選擇了GB20 型振動(dòng)傳感器，其采用了壓電式振動(dòng)檢測模式，具有尺寸小、安裝方便的特點(diǎn)。GB20傳感器的工作原理如圖3 所示[4]。

圖3 壓電式振動(dòng)傳感器工作原理圖

（3）信息交互模塊

信息交互模塊采用了GSM-MODEM 型，能夠?qū)崿F(xiàn)不同位置風(fēng)機(jī)間數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性好，能夠保證在井下高電磁干擾環(huán)境下的使用可靠性需求。

（4）通信裝置

為了解決井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾嚴(yán)重的問題，通信裝置采用了有線和無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。有線通信部分為CAN 數(shù)據(jù)總線，采用了雙通信回路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂垢蓴_性；無線通信部分則是以4G 無線網(wǎng)絡(luò)為主，無線基站的設(shè)置距離需要根據(jù)井下環(huán)境來靈活確定，以保證信號(hào)穩(wěn)定性為原則。

3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障診斷

礦用風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)核心需求，是能夠及時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的異常進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警，從而避免故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，把對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行安全的影響降低到最小，同時(shí)系統(tǒng)還需要具備風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)振動(dòng)功能，根據(jù)診斷結(jié)果輸出風(fēng)機(jī)“體檢”報(bào)告，便于工作人員能夠針對(duì)性地對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，提高風(fēng)機(jī)維護(hù)效率和有效性。

由于風(fēng)機(jī)長期處在高惡劣環(huán)境中運(yùn)行，受外界環(huán)境的影響較大，比如其他設(shè)備啟動(dòng)時(shí)候的沖擊電流、綜采作業(yè)擾動(dòng)等，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的不穩(wěn)定性，而且由于井下電磁干擾現(xiàn)象的存在，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的重要信號(hào)被干擾，因此為了提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障診斷系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)各類監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行消噪處理[5]，提高數(shù)字信號(hào)的信噪比，提高對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。該風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障診斷流程如圖4 所示[6]。

由圖4 可知，該風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)故障診斷采用了閉環(huán)處理的控制模式[7]，通過傳感器來對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，然后在信號(hào)處理裝置內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的狀態(tài)識(shí)別。根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的分析確定風(fēng)機(jī)的故障類型、故障位置，然后進(jìn)入到?jīng)Q策模式確定對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整要求，最后輸出決策干預(yù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整。

圖4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)故障診斷系統(tǒng)邏輯示意圖

4 井下應(yīng)用情況

自2021 年7 月至2022 年1 月，無人監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，取消了井下3 人巡檢小組，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中能夠快速地確定異常參數(shù)并進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行異常的快速識(shí)別和定位、調(diào)整，將風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障數(shù)量由最初的2.4 次/d，降低到目前的0.15 次/d，將故障率降低了93.4%。

5 結(jié)論

礦用軸流式風(fēng)機(jī)無人監(jiān)測控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：

（1）風(fēng)機(jī)運(yùn)行無人值守的核心需求是能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，能夠第一時(shí)間進(jìn)行故障分析、故障定位和故障預(yù)警；

（2）對(duì)各類監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行消噪處理，提高數(shù)字信號(hào)的信噪比，能夠提高對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性；

（3）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的無人化控制，能夠?qū)L(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障數(shù)量降低93.7%，對(duì)提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義。