礦井主通風機運行狀態監控系統的研究設計

劉文梅

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030052）

1 礦井概況

杜兒坪礦位于太原市，年生產能力為385 萬t，是一座大型煤礦。該礦曾經是平硐開拓，后因上水平的煤層已經開采枯竭，轉換為斜井開拓，開采2#、3#、8#煤層。井田多溝谷山梁，地形切割劇烈，大部分地區被森林覆蓋，屬于高瓦斯礦井、中等水文地質類型，開采條件較為復雜。杜兒坪礦開采作業中采用兩臺軸流式風機作為主通風機，工作方式為交替運行方式，定期切換。現在開采中主通風機供風量難以根據實際需求及時調節[1-2]，供風量基本維持在較大狀態，設備功耗大，能源消耗大，且主通風機的故障排查及維護保養也是人工定期進行，問題發現不及時，真正運行狀態也不能客觀反映，影響生產過程，造成經濟損失，甚至發生瓦斯爆炸，危及生命。因此，研發設計主通風機運行狀態監控系統實時監控其運行及診斷故障狀態十分必要[3-5]。

2 監控方案分析

主通風機運行狀態監控系統需要實時監測的基礎數據有風壓、風量、溫度、振動信號及電參量等，各類信號的采集采用具有礦用安全標志的傳感器。除了實時監控，系統應同時具備簡單的控制功能，如能控制風機、風門等。此外，為了使系統在可控狀態下可靠運行，在通風機出現故障時，系統還應能及時診斷故障并報警。可知監控系統是涵蓋了計算機控制、故障診斷等內容的多功能監控系統，對主通風機運行狀態監控系統的研究設計，需要結合通風機工作原理、控制方式進行。

2.1 主通風機運行方式

為合理設計主通風機運行狀態監控系統，首先對杜兒坪礦主通風機類型、工作流程進行分析。礦井選用的主通風機為軸流式風機，其結構主要包括電機、葉輪、主副風門和擴散塔等[6-7]。工作過程為：空氣由進風口軸向進入葉輪，經葉輪旋轉推動至導葉，導葉將空氣流向轉變為軸向流動并導入擴壓器，實現井下供風[8-9]。

杜兒坪礦作為一座大型煤礦，供風系統可根據當時作業工作面的數量和所需風量調節供風量，但當前系統調節效果不佳，供風量基本維持在較大狀態。杜兒坪礦主通風機供風量的調節方式采用的是變頻調節，實際上是通過變頻器調節通風機電機轉速來實現的，整個過程中，管網保持不變，電機轉速增加供風量增加，電機轉速減小供風量減少[10]。采用變頻調節，能達到高精度的特點，節能效果顯著[11]。該風量調節系統中，采用的是HARSVERT系列高壓變頻器，采用U/f 恒定控制方式，其額定工作電壓為6 kV，頻率為0～50 Hz，最大輸入電壓10 kV。主通風機電機額定工作電壓為6 kV，功率2800 kW，額定轉速745 r/min。風機額定工作狀態下供風量為6000 m3/min，變頻控制下電機可視作轉速n隨輸入頻率改變而改變的單變量環節，風量數學模型為：

式中：Q為供風量，m3/min；n為電機轉速，r/min。

2.2 主通風機機械故障機理分析

生產作業過程中，主通風機經常發生各種形式的故障，較為常見的故障一般為機械故障或者電氣故障，其中機械故障頻率更高，占60%。因此文章著重分析杜兒坪礦主通風機可能出現的機械故障[12]。

1）轉子不平衡

正常狀態下主通風機電機軸承各方向受壓一致，軸承處于平衡狀態，不會出現轉子不平衡問題。但是由于軸承生產中用到的材料很難確保完全均勻，這就會導致后期運行中出現轉子不平衡，轉子不平衡會導致運行中振動，隨著運行時間的增加，將會使軸承摩擦老化，容易出現轉子不平衡的問題[13]。

2）轉子不對中

轉子不對中故障是指通風機電機相鄰的兩個轉子的軸承中心線和軸心線發生傾斜或偏移。主通風機運行過程中可能因為安裝不到位、機體下沉等因素引起電機相鄰兩轉子軸心線與軸承中心線發生傾斜或偏移，從而造成電機轉子不對中故障，包括軸線平行不對中、角度不對中以及組合不對中。

3）軸承故障

主通風機運行中電機軸承容易發生故障，一般有軸承磨損、軸承擦傷、軸承點蝕，隨著使用時間延長，故障率也會增加[14-15]。軸承發生故障的原因多樣且復雜，根據結構的不同，又包括內圈故障、外圈故障、滾動體故障等。電機軸承是主通風機核心部件，發生故障后嚴重影響主通風機安全運行。

綜上所述，主通風機故障類型多種多樣，且導致這些故障的原因又復雜多樣，故障與故障原因之間關系也不明確，使得故障很難被分辨。經研究發現，當主通風機出現故障后，故障的機械結構之間會產生非平穩振動信號，這類信號主要是由于結構之間碰撞和摩擦引發的，不同原因導致的不同非平穩振動信號具有不同的特征頻率，例如轉子不平衡故障產生的非平穩振動信號的特征頻率為基頻，同時伴有2 倍頻，轉子不對中導致的非平穩振動信號的特征頻率為2 倍的轉子轉動頻率，同時伴有高次諧波，軸承機械故障的非平穩振動信號的特征頻率又有多種，可以根據特征頻率對主通風機進行機械故障識別[16]。該系統的設計主要識別的故障及其對應的特征頻率見表1。

表1 不同故障類型特征頻率表

表中：f、fi為特征頻率，Hz；z為滾動體個數，個；f0為工頻，Hz；d為滾動體直徑，mm；D為軸承滾道節距，mm；α為接觸角度，（°）。

2.3 主通風機監控系統關鍵參數分析

監控系統監控參數包括兩部分：一是運行狀態參數，如電機溫度、電參數、風量等；二是故障參數，如振動信號。

2.3.1 電參數

電參數的測量監控一般通過使用電壓、電流互感器及功率變送器獲得，功率因數計算如下：

式中：S為視在功率，kVA；P為有功功率，kW；Q為無功功率，kvar。

2.3.2 溫度

溫度是主通風機是否故障的一個關鍵參考參數，溫度異常，表示主通風機極有可能出現故障，主通風機軸承溫度持續過高還會引起電機故障。溫度的監測通過在電機內部設備傳感器實現，由溫度傳感器測得溫度，再利用溫度巡檢儀上傳數據信息。系統設計對電機軸承溫度及三相定子溫度進行監測。

2.3.3 風量

風量的測量利用負壓復合管檢測裝置實現，如圖1 所示，負壓值為P2+與P2-的差值。

圖1 風量測量計算圖

風量計算如下：計算電機內外筒橫截面積A1、A2；取壓環1、2 處的動壓PD、Pd；實際流量Q實、理論流量Q理；動壓差ΔP；進而計算實際風量Q實。

式中：A1、A2為電機內、外筒橫截面積，mm2；PD、Pd為取壓環1、2 處的動壓，Pa；ΔP為取壓環1、2 處動壓差，Pa；Q實為風機實際風量，m3/min；Q理為風機理論風量，m3/min；D為電機內筒直徑，mm；d為電機外筒直徑，mm；ρ為空氣密度，kg/m；v、v1、v2為空氣流速、取壓環1 處空氣流速、取壓環2 處空氣流速，m/s；K為修正系數。

2.3.4 振動信號

在風機振動明顯處設置監測點，安裝振動傳感器，對振動信號進行采集；在主通風機驅動端（圖2中1、2 位置）、軸承座處（圖2 中3、4 位置）設置加速度傳感器，對風機振動信號進行測量及傳輸。

圖2 振動傳感器安裝位置示意圖

3 主通風機監控系統設計應用

3.1 結構設計

以杜兒坪礦為工程背景設計主通風機運行狀態監控系統，監控系統結構設計為集散控制系統與工業以太網結合的形式，系統由遠程控制層、集中控制層及現場設備層構成[17]。遠程控制層作為監控系統上位機，實現數據監測和信號下發，對整個通風系統進行統一控制；集中控制層由工控機和PLC 構成，采集傳輸現場設備的各參數信號，實現現場設備的監測控制，控制設備啟、停及調速，監測主通風機運行參數，分析監測所得振動信號診斷是否發生機械故障；現場設備包括主通風機、風門電機、傳感器等。遠程控制層和集中控制層通過工業以太網進行信息交互。

3.2 軟、硬件設計

3.2.1 硬件設計

硬件設計主要是監控系統硬件結構的搭建，選擇可編程控制器PLC 作為監控系統控制器，主要完成運行參數的采集和運行狀態的控制。PLC 作為可編程控制器，由CPU、存儲器、電源及I/O 口等構成，具有豐富的邏輯運算指令，通過I/O 口結合其內部邏輯運算可實現各種工業環境控制。控制系統的硬件核心即PLC，通過在現場設備關鍵位置設置各類傳感器實時采集監測電參數、溫度、風量、振動信號等運行參數，包括電參數模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等，由PLC 接收各運行參數并上傳至上位機，進而接受上位機的動作指令，與現場設備驅動系統通信實現對設備的控制。PLC 控制系統設計如圖3 所示。當主通風機運行中出現故障時，系統會發出聲光報警，及時提示操作人員對系統故障進行維修。

圖3 PLC 控制系統設計

3.2.2 軟件設計

上位機主要進行監控平臺和控制功能的設計，下位機主要是對PLC 控制流程進行設計，如主通風機的啟停、供風量控制及故障報警等，采用工業以太網和PROFIBUS-DP 現場總線結合的方式與下位機進行通信。

1）啟動設計

礦井主通風機設計兩臺交替運行，可手動或自動控制。以1#主通風機為例，啟動程序設計如圖4。

圖4 主通風機啟動流程圖

2）風量調節設計

風量調節采用模糊PID 控制算法利用PLC 控制器實現。首先進行數據采集，在每個采樣時間內，計算給定風量與實際風量的偏差及其變化率，分別乘以對應的量化因子實現模糊化，與模糊論域上下限值比較，超過的按上下限值計，再查表得到PID修正的模糊輸出量，乘以對應的比例因子獲得精確輸出量，對PID 參數進行在線調節，完成風量調節的控制。

3）故障報警設計

故障報警程序設計如圖5 所示。由現場設備層傳感器采集各類數據傳輸至上位機，上位機進行分析計算，判斷相關部位是否存在故障，若存在故障，控制臺對應故障報警響起，工作人員根據提示進行檢查維修，并啟動應急措施。

圖5 故障報警設計流程圖

4）上位機監控界面設計

上位機監控系統應包括用戶管理部分、數據管理部分和監控顯示界面三部分組成。用戶管理部分即用戶登錄、權限設置、退出等內容；數據管理部分即歷史數據查看、風量變化曲線等內容；監控顯示界面是礦井主通風機運行監控系統的關鍵內容，包括系統的電參數、電機軸承、定子的溫度、風量等實時信息的顯示、故障信息、風量調節等內容。

3.3 應用效果

監控系統完成設計后，組織開展聯檢，通過并取得聯檢報告后，在杜兒坪礦實際應用所設計監控系統。監控系統投入后，主通風機運行及維護的人員由8 名精簡至6 名，節約了人力投入；供風量能更及時合理地得到調節；85%以上的故障信息能得到及時反饋與維修，且根據系統的診斷，故障類型也能得到明確的反饋，有效節約維修調試時間；各類數據的實時監控也能及時維護主通風機的異常情況，有效避免不必要的故障出現。

4 結語

杜兒坪礦作為一座大型煤礦，地質及開采條件較為復雜，礦井主通風機運行采用變頻控制。為了解決開采中主通風機運行性能不佳、維保困難的問題，詳細分析了主通風機變頻控制下的運行方式，分析關鍵運行參數，在運行狀態監控系統的設計中基于反饋的實時運行參數可判斷并控制通風機運行狀態。通過硬件結構和軟件程序兩部分完成監控系統的研究設計應用，應用中系統能做到實時準確地監測主通風機的運行狀態，調節風量供給，有效節省杜兒坪礦開采中主通風機運行人力的投入，并且能做到超前提示，預防故障發生。