礦井通風機運行穩定性監測系統的應用分析

陳小建

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

礦井通風系統作為煤礦的核心裝備，主要用于向井下通入新鮮的空氣，保證井下巷道內的空氣流通，其運行的穩定性和可靠性直接決定了井下綜采作業的安全性。多數礦井由于建立較早，因此礦井通風控制系統的控制相對落后，風機只能以定轉速進行通風作業，而且風機無法實現對運轉狀態的自動監測，只能依靠巡檢人員進行定期巡檢和維護，保障礦井通風系統的運行穩定性，導致風機運行時的故障率高、能耗大、磨損嚴重，難以滿足風機運行穩定性和經濟性的需求[1]。

1 礦井通風機自動控制系統

礦井通風系統工作的核心是能夠根據煤礦井下的空氣情況來控制風機的運行轉速，達到經濟運行的需求，同時系統還需要能夠自動檢測風機運行狀態是否正常，對異常信息進行自動定位和預警，提醒監控人員及時檢查和維修，保證礦井通風系統的運行穩定性和可靠性。

結合礦井通風系統的運行需求，本文所提出的礦井通風自動控制系統采用了模塊化的結構設計方式，將不同的模塊進行集成，從而能夠根據風機的運行需求進行拓展和改進，該通風系統整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 礦井通風自動控制系統結構示意圖

由圖1 可知，該自動監控系統主要包括了信號采集模塊、信號轉換模塊、人機交互模塊及數據通信模塊四個部分[3]。信號采集模塊是該監控系統的基礎，通過在通風機、電控柜、風門、變頻器上設置各類監測傳感器，實現了通風系統中各種設備運行狀態的實時監測。

信號轉換模塊主要用于對各類監測信號進行模擬量和開關量轉換，提高信號的飽和度，減少在傳播過程中的干擾和失真。人機交互模塊主要是顯示礦井通風系統的運行狀態，便于監控人員及時掌握各類信息，提高礦井通風系統的運行穩定性。數據通信模塊主要用于保證系統數據在傳輸過程中的穩定性、可靠性、及時性。

2 通風系統自動控制邏輯

為了滿足礦井通風系統集中調整的控制邏輯，風機的運行調控信息均通過人機交互模塊滿足運行控制需求，首先通過設置在煤礦井下的各類傳感器對井下粉塵濃度、瓦斯含量、風量等進行監測，確定井下的通風需求，然后由控制中心發出調節控制指令給變頻器，由變頻器輸出變頻控制信號，實現對風機運行轉速和風機運行功率的控制[4]。

為了保證對通風系統控制的精確性，系統采用了閉環反饋+PID 控制邏輯[5]，當風機根據變頻器的信號調整后，控制中心再次調用井下的通風狀態信息，對井下通風情況進行二次查詢，將通風情況和理論調節需求進行對比，獲取通風狀態差值，然后再次發出修正信號，對礦井通風系統的運行情況進行反饋調節，提高通風系統調整的精確性。在對井下通風狀態和調整量進行分析時采用了PID 控制邏輯，能夠簡化數據分析流程，提高系統反應的靈敏性和可靠性，該風機自動調整控制邏輯如圖2 所示[6]。

圖2 通風機自動調整控制邏輯示意圖

3 通風機故障檢測系統

根據對歷史數據的分析，通風系統在運行時的故障主要包括了電氣故障和機械故障兩個方面。電氣故障主要是指通風系統各類電壓、電流、變頻控制信號輸入或者輸出異常、信號中斷等，對通風系統電氣故障的排查主要是利用傳感器監測信號閾值法，對各類電氣控制信號設置一定的閾值，系統對監測信息實時進行對比，當超出正常閾值范圍后系統就發出預警，并將故障特征和初步原因進行顯示[7]。

通風系統的機械故障，主要是指風機在運行過程中因機械磨損、軸承偏位等導致的運行異常[8]，通過對不同情況下異常原因和表現的分析，風機運行的機械故障均會表現為風機在運動過程中的振動異常，因此可以在風機上設置振動傳感器，對風機運行時的振動特性進行監測，當出現異常振動信息后系統進行自動報警和振動特征分析，初步確定振動源和故障類別，便于監測人員進行快速故障排除，避免故障范圍進一步擴大，提高礦井通風系統的運行穩定性。不同故障特性下的風機振動頻譜特性如圖3 所示[9]。

圖3 不同故障類別下的振動特性示意圖

4 井下應用情況

以FBCDZ29/2×450 主通風機控制系統為研究對象，在優化前，風機為定轉速運行模式，由于長期在高轉速下運行，因此風機的能耗和磨損較大，導致風機在實際運行中經常出現各類故障。據統計，風機的平均故障數量達到了0.4 次/d，風機運行時的能耗也較高，難以滿足通風系統穩定、經濟的運行需求。在利用礦井通風機運行穩定性監測系統進行改造后，風機運行過程中的平均故障數量降低到了0.05 次/d，風機運行故障數量降低了88.4%，風機在運行時的轉速由1 450 r/min 降低到了1 200 r/min，運行時的能耗平均降低了17.2%，顯著地提升了礦井通風系統在運行過程中的經濟性。礦井通風系統運行穩定性監測系統界面結構如圖4 所示。

圖4 通風系統穩定性監測系統界面示意圖

5 結論

1）通風機運行狀態自動監控系統主要包括了信號采集模塊、信號轉換模塊、人機交互模塊及數據通信模塊四個部分；

2）采用閉環反饋+PID 控制邏輯能夠簡化數據分析流程，提高系統反應的靈敏性和可靠性；

3）通風機故障檢測系統能夠實現對礦井通風系統電氣故障和機械故障的精確判斷；

4）新的礦井通風監測系統能夠將風機運行故障降低88.4%，將風機運行能耗降低17.2%，能夠有效提升礦井通風系統的運行穩定性和可靠性。