礦井通風機智能監測及故障診斷系統的應用研究

郭 鑫

（華陽集團二礦機電工區維運四隊，山西 陽泉 045008）

引言

礦井通風系統是煤礦井下通風的核心，被稱為“礦井之肺”，其工作的穩定性和連續性直接決定了煤礦井下綜采作業的安全性。目前礦井通風系統多缺乏有效的故障診斷系統，只能靠人工定期對其進行檢修來降低運行時的故障率，而且一旦出現故障，只能由人工根據經驗進行判斷，致使故障維修周期長、可靠性差，給煤礦井下通風安全造成了較大隱患。

結合煤礦井下通風需求，本文提出了一種新的礦井通風機智能監測及故障診斷系統，其通過對通風機運轉振動狀態、風機電流、轉速、電壓、噪聲等的監測，將實際監測結果和通風機理論正常運行參數范圍進行對比，獲取異常參數，通過多參數同步對比確認的方式避免誤判現象，實現了對通風機運行狀態的自動監測和故障定位、報警。

1 智能監測及故障診斷系統

根據礦井通風系統的實際運行狀態及監測控制需求，本文所提出的智能監測和故障診斷系統，以通風機運行時的振動情況作為基本監測基準，通過高精度振動傳感器獲取通風機運行時的振動狀態信息，將其傳輸到監測控制中心內對振動信號進行分析，獲取通風機的實時振動頻譜信號，完成對其運行情況的在線監測和故障診斷。其智能監測及故障診斷系統整體結構如圖1所示[1]。

圖1 通風機智能監測及故障診斷系統結構示意圖

為了保證對通風機運行狀態監測的準確性，對振動傳感器放置位置的要求很高，以對旋式軸流風機為例，經過多次試驗驗證，當將振動傳感器設置在通風機連接部位中間處時具有最佳的振動監測效果，振動傳感器選擇AMV-70420型振動加速度傳感器，其監測的范圍是-70～+70 gn，靈敏度高、穩定性好，安裝時在通風機中部安裝兩組振動傳感器，每組傳感器的數量為三個，分別用于對水平方向、軸向方向和垂直方向的振動變化情況進行測量，每個方向上的數據取兩個振動傳感器監測結果的平均值，以確保系統監測結果的準確性。

同時為了避免單因素判定導致的判斷不準確，監測系統同步對通風機電流、轉速、電壓、噪聲等進行監測，只有滿足兩種以上的故障因素后系統才會判斷通風機運行狀態偏離正常值，然后發出故障預警信息。

2 故障判斷裝置

通風機智能監測及故障診斷需要對多種監測數據進行逐級判斷，因此故障判別邏輯相對復雜，一旦出現偏差，將導致整個監測及故障診斷系統的運行紊亂。該新型的故障綜合判斷邏輯如下頁圖2所示[2]。

圖2 故障綜合判斷邏輯示意圖

該故障綜合判別系統中，系統判別軟件采用了TCP/IP協議，系統硬件所定義的協議是依靠16組數據傳感器進行同步采集和數據傳輸，最終根據監測數據需求選擇對應的通道進行數據信息傳輸。根據數據異常情況，對故障原因進行預判和分類，以模型樹的方式逐層對故障現象進行匹配，最終獲取正確的診斷結果并輸出預警信息和故障診斷報告。

由于通風機在運轉過程中具有較大的振動和噪聲，再加上通風通道內紊亂氣流的影響，會對各類傳感器的監測結果產生一定的干擾，因此在對監測數據進行分析前需要對其進行濾波處理，以提高數據分析的準確性。在故障判別模塊內具有故障預判和故障分類兩個部分[3]，若故障現象和系統數據庫能夠完成匹配，則直接以故障分類的形式完成故障的判斷和定位；若故障現象無法和數據庫內已有的故障類別相匹配，則系統進入故障預判模式，采用相似對比的邏輯進行預判，將預判結構傳輸到控制終端，由對應的專家完成故障最終的確認，從而實現故障判斷速度和判斷準確性的統一。

3 監測系統數據處理

通風機智能監測及故障診斷系統的實時數據流量大，因此為了確保數據分析結果的準確性和速度，對數據存儲和管理系統的要求極高，通過對該系統最大數據流量的分析，最終確定以三通道[4]的方式進行數據存儲和分析，系統的數據采樣頻率定義為6.12kHz，系統滿負荷運行24h的數據存儲量僅15MB。與單通道處理模式相比，三通道處理模式既有效地減少了數據信息量，又能夠將數據處理速度提升3倍以上。

為了提升系統對故障判斷的智能化程度，在系統內加入了數據自動處理和存儲功能，能夠自主對每個類別的故障現象、故障原因、受影響系統、故障處理方案等進行分類存儲，不斷地擴充存儲庫的范圍。系統具有自動巡檢功能，能夠將每天的監測結果進行自主分析、匯總，輸出每日監測分析報告，技術人員可以根據監測分析報告對通風機的運行狀態進行預判，同時可以將該報告作為通風機定期維護保養的指引手冊，增加對通風機維護的針對性，提升通風機維護效率和有效性。

4 通風機智能監測及故障診斷系統應用

對礦井通風監測系統進行改造，對改造前后風機的實際運行效果進行對比分析，結果表明，采用新的智能監測及故障診斷系統后，系統能夠對通風機的運行狀態進行不間斷監測，對通風機運行故障的識別準確性達到95.6%以上，通風機運行時的故障數量由最初的15.6次/月降低到目前的0.27次/月，平均故障數量降低了約98.3%，同時系統能夠自動輸出故障原因，實現對通風機故障的快速定位和處理，有效地提升通風系統的運行安全性。該通風機智能監測及故障診斷系統的實際應用如圖3所示。

圖3 通風機監測及故障預警系統應用現場圖

5 結論

1）通風機智能監測和故障診斷系統，通過高精度振動傳感器獲取通風機運行時的振動狀態信息，完成對其運行情況的在線監測和故障診斷，具有結構緊湊、監測準確度高、可靠性好的優點。

2）通風機智能監測及故障診斷系統的實時數據流量大，以三通道的方式進行數據存儲和分析，既有效地減少了數據信息量，又能夠將數據處理速度提升3倍以上。

3）該系統的故障自動診斷報警可靠性達到95.6%以上，能夠將通風機運行的停機故障率降低98.3%，同時通過故障自動定位和分析功能，能夠顯著提升通風機故障處理的速度。