煤礦通風機故障診斷系統改進設計

李建峰

（山西辰誠建設工程有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

煤礦的大量開采加大了井下作業環境的惡劣程度。礦用通風機作為井下改善空氣質量的重要設備，保證其良好的運行效果及通風性能，對保證井下作業安全至關重要。通風機在井下作業過程中，經常出現整機振動劇烈、控制系統不穩定、信號傳輸滯后等問題，現有的故障診斷系統難以較好地保證通風機的安全運行[1-3]。因此，有必要設計開發通風機故障診斷系統。

本文重點分析了通風機運行過程中的主要故障問題，從硬件系統、軟件系統方面，開展了通風機故障診斷系統的改進研究，并將其在晉城煤礦的通風機上進行了現場應用測試。結果表明，該故障診斷系統運行正常，功能齊全，能較好地滿足通風機運行過程的故障診斷需求，對提高通風機及井下作業安全具有重要意義。

1 通風機常見故障

根據煤礦通風機使用工況的不同，將其分為離心式通風機和軸流式通風機，但其結構基本相同，主要由旋轉主軸、葉輪、螺旋外殼、進氣口、出氣口、電機、導流片等部件組成，主要負責向井下環境提供新鮮空氣。煤礦通風機在使用過程中，出現的故障類型主要包括轉子故障、油膜故障、葉片和機殼的振動故障、基座松動故障等[4-6]，下面就這些故障問題進行分析。

（1）轉子故障主要體現在轉子的運轉不穩定及振動加劇等問題，導致其出現此現象的主要原因為：轉子在設計生產過程中，由于存在一定的生產誤差，造成了轉子未成對稱分布，加上轉子運動過程中與定子之間發生了較大程度的摩擦現象，加大了轉子磨損，導致其運動時的不穩定性及振動幅度更加劇烈。轉子的異常運動，最終會使通風機的通風量及風壓的檢測信號出現誤檢測等問題。

（2）通風機軸承上的潤滑油出現了油膜渦動故障，會導致轉子的轉速發生加速或減速情況下的波動變化現象。轉子速度加快后，會使其整體出現失穩現象，最終加劇通風機的振動幅度；而轉子速度突然減小，導致信號的振幅未來得及立即響應，隨著轉子轉動的持續降低，信號才突然變為0，具有響應滯后現象，嚴重影響通風機運行狀態的實時監控問題。

（3）通風機從井下排出空氣的同時，會夾雜著排出煤塵及其他雜質，由此造成了通風機極可能發生喘振故障。喘振現象的發生，會對通風機的軸承、轉子、葉片等結構的正常運行產生重大影響，也會加劇通風機整機的振動幅度。當整機的振動達到一定程度時，則會使通風機發生災難性的事故。

2 硬件系統設計

結合上述對通風機運行過程中出現的常見故障分析，有必要建立一套通風機故障診斷系統，實現對通風機運行狀態的實時檢測，保障其設備的運行效率和運行安全[7-8]。因此對該故障診斷系統的硬件系統進行了設計。

2.1 總體框架圖

通風機運行時的主要性能參數包括通風機轉速、運行功率、工作電壓、風壓、設備振動幅度等，所建立的硬件系統主要是實現對這些運行參數的實時檢測。在這些信號中，振動參數是通風機大部分故障發生后而造成了最終故障，對通風機的運行安全至關重要。因此，所設計的硬件系統包括振動傳感器、信號調理系統、數據采集卡、工況軟件平臺等部分。首先在通風機上設計一套振動傳感器，主要實現對通風機振動幅度進行信號檢測，并將檢測的振動信號轉換為其他電信號后，傳輸至信號調理系統中，完成對檢測信號的濾波和信號放大處理，通過數據采集卡，將放大后的信號進行D/A和A/D轉換，傳輸至數據處理中心后，采用小波神經網絡技術，對采集轉換后的信號進行分析處理，將信號與設置閥值進行對比判斷。當超過閥值時，系統則發出相應的報警提示及切斷電源運行等處理措施，最終通過設計的工控平臺進行信號的實時顯示和曲線繪制。由此，完成對通風機故障診斷系統硬件系統的總體設計。硬件系統的結構框架圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統硬件系統工作流程圖

2.2 數據采集設備匹配

故障診斷系統的數據采集系統主要負責快速獲取傳感器設備檢測的各類電信號，并進行信號轉換后，傳遞至控制中心進行后續處理。所設計的數據采集設備配備了多路開關、保持器、放大器等部件。多路開關可對通風機進行多路信號的采集和不同路徑切換；保持器主要負責對轉換前后的信號進行采集，有效防止信號發生改變現象；放大器主要負責對輸入信號進行信號的放大或縮小，以保證信號能滿足轉換需求。另外，數據采集卡是整個采集系統的核心。通過對采集卡的匹配選型，選用了PCI-6259型采集卡，該采集卡具有采樣頻率和精度高、信號采樣穩定等優點，比一般采集具有更高的分辨率，其主要性能特點如表1所示。

表1 數據采集卡主要性能參數

3 軟件系統設計

軟件系統是通風機故障診斷系統的重要系統，其系統結構主要包括登錄模塊程序、信號采集模塊程序、信號預處理模塊程序、網絡模塊程序、故障診斷模塊程序、報警模塊程序等部分。所設計的軟件系統依托于VS2010平臺進行開發，保證其能更好地滿足通風機故障診斷要求。下面就軟件系統的典型部分進行設計分析。

3.1 信號采集模塊程序

結合上述分析，所設計的信號采集卡采用了PCI-6259型采集卡，是一款多路低耗能的采集卡，具有較高的采集精度和采集功能。因此，在信號采集模塊程序設計過程中，設計了多種API功能，并在程序編寫過程中，添加了ADSAPI32.DIL動態鏈接文件，可將控制模塊中信號緩存在緩沖區。同時，通過設計PCI程序，可將PCI總線中的振動信號傳輸至工控中心，并進行快速保存，也可通過此程序，輸入信號的大小范圍進行快速調節。另外，該模塊中所有程序均采用了MATLAB軟件進行程序編寫，實現了該程序代碼與多款軟件的聯合編寫。由此，完成了信號采集模塊程序的設計。

3.2 報警模塊

報警模塊是通風機的故障診斷系統軟件系統的關鍵組成部分。因此，在對其進行設計過程中，采用了小波神經網絡技術，利用BP網絡，通過MATLAB中的API模塊，對報警模塊進行了設計。通過此過程，可將處理分析后的通風機轉速、振動情況、運行功率等參數與設置的閾值進行對比判斷，但檢測的信號參數超過設計閥值時，可通過該報警模塊發出相應的報警提示，并通過設計的人機顯示界面進行故障問題的實時顯示。其中，在該報警模塊中，設計了小波神經網絡技術分析、特征提取、故障報警等功能，其報警功能界面如圖2所示。由此，實現對通風機運行故障的報警提示。

圖2 通風機故障報警界面圖

4 現場測試效果分析

結合上述建立的通風機故障診斷系統，為進一步驗證其系統性能，將其在晉城煤礦中的通風機中進行了接近1個月的現場測試研究，主要將該系統與井下通風機進行系統連接。現場測試表明，該系統運行正常，能對通風機的運行功率、運行轉速、振動情況、工作電壓、工作溫度等參數進行實時信號采集與檢測，并將這些信號與設置的閥值進行對比判斷。根據判斷結果，故障診斷系統發出相應的報警提示，并在顯示界面中對通風機的故障類型及程度進行實時顯示。通過該故障診斷系統的應用，實現了對通風機約15種運行故障類型的診斷檢測，有效保證了通風機的運行效率和運行安全，并得到了現場作業人員的一致好評。

5 結束語

提高礦用通風機的運行效率及保證其作業安全，已成為當下保障井下作業安全的重要基礎。因此，分析了通風機運行過程中的主要故障問題，開展了通風機故障診斷系統的改進研究，并將其在晉城煤礦的通風機上進行了現場應用測試。結果表明，該故障診斷系統能對通風機的各類運行參數進行實時檢查和診斷，針對出現的故障問題，及時發出相應的報警提示，并得到人員的一致認可。該故障診斷系統的應用，有效保證了通風機的運行效果，對提高通風機及井下作業安全具有重要意義。