智能化技術在礦井風機故障檢測中的應用研究

楊立安

（晉能控股集團晉中公司 山西省晉中市 030600）

煤礦風機是礦井開采時的重要輔助設備，負責向井下各工作面提供新鮮的空氣，并將井下有害熱量和污濁空氣通過井上井下強迫式空氣交互排出井下，確保井下工作面正常安全的開采環境[1]。風機的正常運轉對維持礦井正常生產和井下工作安全具有重要意義，隨著技術的發展，風機故障監測檢修方法從傳統的人工檢修法逐漸向智能化檢修方法過渡，傳統的人工檢修方法實時性差，無法及時發現和解決問題，嚴重影響煤礦正常生產；目前的智能化風機監測檢修方法著重于直接監測風機設備的振動、壓力、溫度等參數異常，從而判斷風機故障點，這種直接診斷風機設備故障的方法應用過程中誤差大、成本高，難以在煤礦開采中推廣[2]。在PLC 技術的基礎上，探究以問題表象為導向，逆推風機故障類型，通過合理設置預警值和極限值的方法，及時發現風機運行時的故障類型，及時維修，具有一定的預測性、實時性和可培訓性。

1 風機故障監測方法優缺點分析

在目前的礦井開采中，礦井風機檢修技術主要有兩種：一是傳統的人工檢測維修，二是通過檢測風機的振動、壓力、溫度等參數，直接判斷風機的故障點從而排除故障的直接診斷法，是一種直接法故障監測系統。第一種傳統的人工檢測維修方法實時性差，不能及時快速的分析問題、解決問題，在風機產生問題后再由人工檢測解決問題，工作滯后嚴重；解決風機故障更多的依靠檢修人員的經驗，可培訓性差[3]。第二種檢修方法通過在風機設備的關鍵部位布置傳感器，實時監測風機的振動、壓力、溫度等參數，經過控制中心數據處理后，直接判斷風機的故障點，從而及時排除故障，這種檢修方法具有實時快速、靈活可培訓的優點，但是直接對風機運行參數監測的過程中，監測誤差較大，以風機振動參數監測為例，振動頻率與振動加速度傳感器監測值的誤差關系如表1。

表1：振動監測誤差

如表1所示，振動頻率越高，誤差越大，振動頻率為20Hz 和240Hz 時，振動加速度傳感器的誤差約為1.0%～1.8%，與振動實際值相比，振動監測值偏大；振動頻率為900Hz 和1500Hz 時，振動加速度傳感器的誤差約為3.25%～4.0%，與振動實際值相比，振動監測值偏小。因此以風機運行參數作為監測對象，監控風機的運行狀態存在一定的誤動作的可能，當監測到風機運行狀態參數不正常時，井下通風系統的工況可能是正常的，井下的工作環境可能仍然是安全可控的，風機的運行狀態參數無法準確的描述井下通風系統的狀況，僅依此判斷通風系統存在安全問題是有失偏頗的，有時也會極大的影響礦井的正常生產。

而以井下通風系統的安全問題作為導向，逆推風機的故障問題和故障點，可以避免因檢修系統誤動作或過動作導致井下無法正常生產的問題，同時，在通風系統質量薄弱點布置監測設備，監測重點明確，監測設備簡單，可以極大的節省監測檢修系統成本，是一種間接法的故障監測方法。與直接法故障檢測系統相同，間接法故障檢測系統監測到系統故障后，也需要在控制器上顯示故障點和故障內容，進而指導檢修人員及時檢修設備。與直接法檢修系統不同，間接法監測維修系統是開放的系統，間接法的故障庫可以根據專家的意見和現場實踐經驗不斷的補充完善。

2 間接法檢測維修系統設計

間接法檢測維修系統是以PLC 技術為基礎的，通過在通風系統的故障薄弱點布置相應的監測器，實現對通風系統的實時監測，并將監測數據反饋給控制器進行邏輯判斷，與PLC 監控系統不同的是，從控制模塊中輸出的信號不經轉換器的作用從而發出動作指令，而是直接將判斷結果顯示在控制器上，指導作業人員精準維修，其運行機理如圖1。

圖1：檢修系統機理

如圖1所示，在通風系統的薄弱環節布置故障監測設備，監測電信號在A/D 轉換器作用下準換為數字信號傳輸給控制模塊，與控制模塊中故障庫進行對比分析，輸出故障信息指導檢修人員及時排除設備故障，與PLC自動監控不同的是，檢測維修系統不具有自動控制功能，控制模塊不直接發出動作指令控制設備執行相應動作，而是將判斷后的故障信息顯示在控制模塊上指導檢修人員進行精準維修作業?？刂颇K中預先輸入的邏輯判斷語句是基于通風系統的故障信息，而不是風機的運行參數特征?？刂颇K中故障庫的建立遵循如圖2 流程。

圖2：控制模塊作用過程

首先利用頭腦風暴法或專家質詢法，根據現場實際，匯總影響通風系統安全的風機機故障類型，根據這些故障類型充分研究風機故障引起的通風系統安全隱患特征，分別組成風機故障類型庫和通風系統故障特征庫。在控制器中預先輸入對比算法，根據通風系統故障類型特征值，選定合理的預警值和安全限值，把實時監測的數據在控制器中與預警值和安全限值做對比，監測值達到預警值時，檢測系統及時發出報警，通知檢修人員及時排除故障，監測值達到安全限制時，檢測系統發出人員撤離井下的危急信號。間接法檢測維修系統通過監測到的井下通風系統超限參數，逆推通風設備的故障特征，具有一定的預測性和開放性，間接法檢測維修系統的故障庫和故障特征庫是開放的，可以根據礦井的具體情況，設定各礦通風系統的關鍵故障類型和故障特征。

3 間接法監測維修系統設計

根據上文分析，間接法檢測維修系統以PLC 技術為基礎，在輸出模塊對PLC 技術進行優化，排除了輸出模塊D/A 數模轉換器的作用，數據經控制器對比后輸出的數字信號，不在經轉換器作用轉換為電信號，而是直接把對比結果顯示在控制器上，指導檢修人員及時排除通風系統故障。在間接法檢測維修系統建立過程中，系統建立的關鍵是全面準確的故障庫和故障特征庫，根據井下通風系統運行特征，故障庫內應包含影響通風系統安全的關鍵故障類型，故障特征庫應能準確逆推風機故障類型。根據礦井生產實際，統計風機主要故障類型和故障類型特征如表2。

表2：風機故障專家庫

如表2所示，統計結果表明，礦井間接法檢測維修系統庫中的關鍵故障類型、故障特征和其監測參數有：

（1）葉輪粘附油污故障，其故障特征是風機異常振動，葉輪粘附油污故障的監測參數是風機振動值。

（2）風管風筒連接口漏氣、接風管松弛故障，其故障特征是風管連接口漏氣，該故障的監測參數是接風口風速。

（3）軸承安裝錯誤、潤滑油劣化故障，其故障特征是風機軸承釋放熱量超標，該故障的監測參數是軸承溫度。

（4）輸送帶磨損、不對稱故障，其故障特征是風機跳動、輸送帶松弛，該故障的監測參數是輸送帶長度。

（5）電機超負荷、輸入電壓過高故障，其故障特征是風機電機溫度超限，該故障的監測參數是風機電機溫度。通過對上述故障類型的故障特征值的監測逆推風機故障類型，間接法檢測維修系統是一個開放的系統，在逆推風機故障類型的過程中，可以根據故障類型的故障特征增加監測參數，輔助判斷風機的故障類型，避免風機監測維修系統的誤動作。

根據風機故障的特征，在PLC 控制模塊中預先輸入合理的預警值和安全限制如表3。

表3：監測預警值和安全限值設定

如表3所示，當監測參數中風機振動值達到預警值P1 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測參數中風機振動值達到安全限值P2 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當接風口風速達到預警值V1時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當接風口風速達到預警值V2 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當監測到軸承溫度達到預警值T1 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測到軸承溫度達到預警值T2 時，系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當監測到輸送帶長度達到安全限值L1 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測到輸送帶長度達到安全限值L2 時，統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當風機電機溫度達到預警值T3 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當風機電機溫度達到預警值T4 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號，以確保井下作業人員安全。

4 間接法檢測維修系統的應用

某礦7#煤層通風方式采用兩翼對角抽出式，瓦斯涌出量為11m3/t，設計井下需風量9.1m3/s，主運輸大巷設計風速5.2m/s，皮帶長度8m，使用間接法監測維修系統對該通風系統進行優化改造，在礦井地表主風機機軸上安裝VIBER X5 型振動檢測分析儀，實時監測地表風機振動值；在礦井接風口布置礦用風速傳感器，實時監測接風口風速；在地表風機軸承部位布置紅外測溫儀，實時監測地表風機軸承溫度；在風機輸送帶上平均布置4 各位置監測點，實時監測輸送帶長度變化；在地表風機電機處布置紅外測溫儀，實時監測地表風機溫度。設定該礦間接法檢測維修系統監測參數預警值和安全限值如表4。

表4：某礦通風系統監測值設定

如表4所示，當地表風機振動值達到預警值11.2mm 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測參數中風機振動值達到安全限值18mm 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當接風口風速達到預警值5.5m/s 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當接風口風速達到預警值7m/s 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當監測到軸承溫度達到預警值50℃時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測到軸承溫度達到預警值65℃時，系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當監測到輸送帶長度達到預警值205mm 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當監測到輸送帶長度達到安全限值210mm 時，統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。當風機電機溫度達到預警值60mm 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，指導檢修人員及時排除通風系統故障；當風機電機溫度達到預警值75mm 時，風機間接法監測維修系統及時顯示故障類型和故障點，并發出撤離井下作業人員的緊急信號。

實踐表明，使用間接法智能監測檢修系統對概況通風系統優化改造后，以礦井生產時通風系統所表現出的問題作為導向，逆推通風系統設備故障類型，極大提高了風機故障檢修過程的準確率，防止因系統誤動作導致礦井生產停止；通過在系統控制模塊中設置合理的預警值和報警值，在監測參數達到報警值后，及時顯示故障地點和故障類型，指導檢修人員及時排除故障，具有一定的預測性。經過間接法智能監測維修系統的改造，該礦通風系統誤動作幾率明顯降低，通風系統運行更加平穩，對通風系統設備故障類型的診斷準確及時，具有一定的社會和經濟價值。

4 總結

（1）闡述了傳統人工檢修方法、現有直接法檢測維修系統的特點及優缺點，闡明了間接法智能監測檢修系統的優點。

（2）闡述了間接法智能監測檢修系統對PLC 技術的應用機理和系統控制模塊中對比庫的建立過程，建立了風機檢修系統的故障庫和故障特征庫。

（3）設計了風機智能監測檢修系統并闡述了其作用過程，經實踐表明，具有一定的社會和經濟價值。