礦井主通風機故障診斷專家系統設計與應用

高 炳

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司設備修造廠，山西 介休 032000）

引言

礦井主通風機是保障礦井可靠通風及安全生產的關鍵設備，其重要性體現在不間斷地向井下輸送新鮮空氣，同時排出粉塵及“乏風”氣體，形成有效的礦井循環風系統。礦井主通風機的重要性體現在以下方面：一旦主通風機發生故障，輕則導致設備損壞、風流紊亂和通風不暢，重則導致有害氣體積聚、瓦斯超限、氧氣不足、災害發生，甚至人員傷亡。因此，對于礦井主通風機的各類故障必須高度重視，從對系統的實時監測入手，建立礦井主通風機故障診斷專家系統，及時識別并定位各類故障，盡早對設備故障進行處置，避免故障擴大及事故惡化[1-3]，從而保障礦井安全生產。

1 主通風機故障分析及常見故障診斷方法

礦井主通風機主要包括抽出式、壓入式及混合式三種供風方式，其中尤以抽出式工作方式應用最為常見。而且對旋軸流式通風機得到了越來越廣泛的應用，其優勢主要包括供風效率高、能耗低、噪聲小，而且設備占用空間小，安裝使用較為方便。對于對旋軸流式通風機，其故障主要包括風機故障及電機故障兩類，具體介紹如下。

1.1 風機故障分析

風機由于長時間不間斷運行，容易發生振動異常、構件松動、溫度過高、噪聲增大等故障。振動異常可能是由于電動機轉子不平衡、葉片偏心、轉子摩擦等引起的；構件松動可能是由于裝配及安裝問題、長時間異常振動及共振、螺栓松動等引起的；溫度過高可能是由于裝配不當、異常摩擦生熱、潤滑不足等引起的；噪聲增大可能是由于振動及松動、轉子偏離、葉片損壞、軸承磨損等引起的。

1.2 電機故障分析

電機的構成要素包括轉子和定子兩部分，電機故障主要包括振動異常、聲音異常、溫度過高及異味等。其中以振動異常故障最為常見，產生原因也較多，例如電壓不穩定、定子繞組不對稱、轉子偏心或不平衡、傳動裝置裝配不當等，導致電機負載增大、噪聲增大、壽命降低等；聲音異常預示著較為明顯的故障，應引起足夠重視，出現的原因可能是電氣原因形成的電磁噪聲、軸承磨損形成的噪聲、傳動機構件松動或摩擦引起的噪聲等；溫度過高或產生異味通常也預示著較嚴重的故障，出現的原因包括電機散熱不暢、電壓過大、電氣短路、繞組燒毀、電機燒毀等。

自工業革命以來，機電設備廣泛應用并發展，逐漸形成了綜合性的故障診斷學科，其不僅局限于礦井主通風機的故障診斷，對整個學科所形成的故障診斷方法也是十分豐富的，主要包括基于解析模型的故障診斷方法、基于知識數據庫的故障診斷方法、基于信號處理的故障診斷方法3 種，又可細分為參數估計法、狀態估計法、等價空間法、專家系統法、模糊推理法、神經網絡法、故障樹分析法、時頻分析法、時序分析法等[4-8]。本文研究使用了模糊推理方法建立起故障診斷專家系統，對礦井主通風機的故障檢測及處置提供有效監控及指導。

2 故障診斷專家系統設計

結合故障診斷學科的基本原理，在對礦井主通風機各類故障案例進行大量統計分析及模糊推理的基礎上，設計了一套基于模糊推理的故障診斷專家系統。

2.1 系統設計流程

首先，明確故障診斷專家系統的設計流程。整個系統的建立流程主要可分為4 步，如下頁圖1 所示。具體內容為：第一步是大量故障案例及數據的統計分析階段；在大量原始數據的基礎上，建立起第二步的信息模塊，該模塊主要包括3 個模型，分別是數據庫模型、知識庫模型、診斷推理模型（模糊推理模型），這是整個專家系統的知識及數據來源，是實施設備監測及故障診斷的基礎；第三步是建立功能模塊，包括主通風機監控系統、故障診斷系統、系統幫助模塊、數據生成查詢及報警模塊等；第四步是建立結構模塊，也就是系統的功能實現模塊，通過該模塊實現故障的診斷、處置等功能。

圖1 故障診斷專家系統的設計流程

2.2 故障診斷專家系統的建立

按照既定流程，依據結構化工作原理進行故障診斷專家系統的搭建。整個系統若要實現需要的設備監測及故障診斷功能，并保證數據的穩定性、診斷的精確性、良好的人機交互性等要求，需要建立以下功能模塊，具體的故障診斷專家系統示意圖如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統結構示意圖

2.2.1 設備監測監控模塊

設備監測監控模塊主要對主通風機的運行狀態進行實時監控，可以分別實現通風方式選擇、風機選擇、參數調控、控制操作等，包括正常通風方式和反通風方式兩種，可以選擇1 號或2 號主通風機；可以對各子系統實施運行控制；可以對兩個主通風機的負壓全壓數據、繞組及軸承溫度、風速、氣流、瓦斯濃度等進行不間斷監測，并通過以太環網實現數據同步，實現運行監測與控制、異常報警、數據處理等功能。

2.2.2 模糊推理及故障診斷模塊

模糊推理及故障診斷模塊包括自動故障診斷和模糊推理診斷兩項功能。如果系統發現主通風機運行參數超限，會啟動模糊推理及故障診斷模塊，將監測到的參數上傳數據庫進行比對，從而識別故障類型，發出故障警報，查找故障原因，出示故障處置方法，為用戶提供精準的故障處置方法，實現故障快速有效診斷。由于主通風機結構復雜，故障類型也呈現多樣性和復雜性，一些非正常運行如果只靠專業人員調查解決，難免難度大、工作量過大，而模糊推理及故障診斷的功能是結合專家系統及數據庫進行推理以確定故障類型及其原因，大大提高了處置效率。

2.2.3 即時報警及應急處置模塊

當系統監測并識別出故障時，必須及時發出警報，并迅速確定故障類型、故障位置，并提出有效的應對措施，然后工作人員根據專家系統建議再實施一系列的故障應急處置，處置過后系統會對故障信息及處置情況進行記錄，生成報表，以便查詢及分析。

2.2.4 人機交互模塊

一個好的系統必須具備良好的人機交互性。人機交互性的好壞，主要體現在操作系統的主界面，用戶通過主界面來使用系統不同的功能模塊，可進行參數的調整、數據的查詢、報表的生成，最主要的是整個設備監控及故障診斷的過程與結果均會通過人機交互的操作系統來實現，從而方便技術人員更好地利用系統來進行主通風機的應用和管理。

3 系統實現及應用

整個故障診斷專家系統可以根據礦井具體情況及任務需求，利用系統內的各類傳感器、信號傳輸系統、數據處理系統、模糊推理及診斷系統等模塊，完成系統功能的實現。根據系統架構，在系統的實現階段利用Access 數據庫管理系統及MATLAB 編譯程序完成系統軟件開發。開發的礦井主通風機監控及故障診斷專家系統界面如下頁圖3 所示。類似常規的Windows 窗口界面，工作人員可以方便地對主通風機實施啟停、緊急制動、參數調整等操作，還能夠選擇使用通風機及通風方式，具備數據查詢、曲線及報表生成等功能。對于最為核心的故障診斷模塊，以噪聲異常故障為例，系統會根據監控系統所上傳的實時數據進行分析，依據模糊推理的概率，自動診斷出故障原因為“轉子葉片磨損過大”，解決方案是“及時維護并更換葉片”等，工作人員可根據提示進行人工排查并處置，及時解決故障問題。

圖3 礦井主通風機監控及故障診斷專家系統界面

4 結語

礦井主通風機安全監控及故障診斷專家系統作為煤礦信息化及智能化的重點突破方向，作用會越來越凸顯，也會得到更多的重視和發展。對于系統的設計改造，推倒重建是一個思路，但投入成本大，對現有生產過程影響大，不易施行；而在現有設備和條件的基礎上進行系統更新改造，基于具體的礦井生產和應用條件，通過較小的投入、較短的工期，實現對設備的有效監控和故障的應急處置，不失為一個好的思路。礦井主通風機故障診斷專家系統的設計研發取得了成功，利用新技術和產品進行升級改造，并成功地進行了工業性試驗，取得了良好的應用效果，大大降低了成本、縮短了工期，提高了礦井主通風機運行的可靠性及礦井安全管理水平。