地面主要通風機故障診斷系統的設計與應用*

崔麗波

(山西焦煤集團有限責任公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引 言

地面主通風機是煤礦企業的重要設備，與企業安全生產密切相關。對地面主通風機進行故障診斷分析和故障預報是保證企業安全、高效、連續、穩定生產的必要環節。地面主通風機故障具有階段性、漸進性、并存性以及復雜映射性的特點，采用固定、單一的故障診斷方案可能會導致故障診斷結論不可靠[1-3]。隨著技術的發展，基于神經網絡的故障診斷技術已經成為未來的發展方向。這種技術可以將地面通風機的特征信號進行分析處理，依據特征信號的強度和變化情況，識別故障模式，確定故障部位，預測故障趨勢。筆者基于BP神經網絡技術提出地面主通風機故障診斷系統設計方案，重點分析了以BP神經網絡技術為核心的地面主通風機故障診斷系統軟、硬件設計方案并完成系統測試，達到故障智能診斷的目的，對提升地面主通風機的運行效率具有重要意義。

1 系統設計

地面主通風機故障診斷系統設計框圖見圖1所示，它由信號檢測模塊、數據采集模塊以及故障診斷模塊三部分組成。信號檢測模塊可將主通風機運行過程中的振動信號、溫度信號、壓力信號以及電氣信號進行周期性采集和預處理，包括信號隔離、放大、補償、噪聲過濾、變換等；數據采集模塊可將檢測到的信號進行采集、調理、A/D轉換等，并通過CAN總線通信模式將數據發送至地面主通風機監測系統；故障診斷模塊可將超出報警限值的傳感器信號進行信息再分配并輸入至風機，電機診斷子網對信息進行智能故障診斷并給出結論。

圖1 地面主通風機故障診斷系統設計框圖

2 硬件設計

地面主通風機故障診斷系統硬件設計應用的關鍵電氣元器件有DSP芯片TMS320LF2401AVFS[4-5]、振動傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、功率變送器、油壓變送器、鉑熱電阻以及模擬量信號隔離柵、DC24V穩壓電源、繼電器等。表1所列為用到的主要傳感器器件選型及參數。

表1 通風機故障診斷系統傳感器器件選型及參數

圖2所示為系統中用到的關鍵傳感器的布置圖，布置了8個振動傳感器，分別為軸向2個、垂直4個、水平2個；布置了4個溫度傳感器和2個性能傳感器。

圖2 地面主通風機故障診斷系統關鍵傳感器布置示意

3 軟件設計

地面主通風機故障診斷系統選取振動信號為特征信號，并進行傅里葉變換和小波變換后將其從時域信號變為頻域信號，然后進行標定和歸一化處理，將得到的特征向量存入特征征兆庫，利用網絡學習得到診斷知識庫，確定主通風機故障類型并給出相應的故障診斷建議。設計的地面主通風機故障診斷系統軟件設計流程如圖3所示。

圖3 地面主通風機故障診斷系統軟件處理流程

(1) 數據采集及數據庫操作：在地面主通風機機身設置8個振動傳感器，具體為軸向2個、垂直4個、水平2個，同時建立MySQL數據用于存放采集到的振動傳感器數據，具體數據存儲格式為：日期、時間、通道號、水平振值、垂直振值、軸向振值。

(2) 信號處理：分為時域信號處理、頻域信號處理兩部分。時域信號處理即對均方根值、峰值、峰值因子、峭度指標等進行統計、計算和顯示。頻域信號處理即對振動信號進行功率譜分析和頻帶能量分析并提取特征因子。

(3)學習系統：即對地面主通風機機械典型故障樣本集進行學習并記憶故障模式，需逐個節點計算BP神經網絡的激活函數值、更新節點和網絡權值，直至學習結果滿足一定要求。

4 系統驗證

為驗證設計并實現的地面主通風機故障診斷系統的正確性和適用性，采用仿真平臺進行系統驗證。將主通風機振動信號中9個頻段的不同頻率的普峰能量的歸一化值作為特征量，形成訓練樣本。采用有導師學習算法，使用函數trainbpx進行快速訓練，即故障信號的目標輸出為1.00表示對應故障發生；目標輸出為0.00表示對應故障未發生。表2所列為地面主通風機振動故障原因與征兆表。

表2 地面主通風機振動故障原因與征兆表

圖4所示為地面主通風機故障診斷網絡訓練過程誤差變化情況，從圖可以看出在較短時間內即可達到訓練指標。

圖4 地面主通風機故障診斷系統訓練過程誤差變化情況

表3所列為表2樣本經網絡訓練后的實際輸出，由表3可知，輸出模式中對應故障節點值接近1，非故障節點值接近0。

表3 地面主通風機故障樣本實際輸出

表4為待識別的故障樣本作為設計的故障診斷網絡的輸入，將表4數據輸入至訓練好的地面主通風機故障診斷網絡。

表4 待識別的故障樣本

表5為測試結果，由表5可以看出第3個和第5個輸出節點的輸出值均接近1，其它節點的輸出均未超過0.01，由此對第3個和第5個輸出節點所對應的故障進行分析并最終診斷為軸承座松動和轉子軸向碰磨故障。由此可見，網絡對識別樣本進行了正確的分類，測試結果與實際發生的故障相吻合。

表5 測試結果

5 結 論

以地面主通風機為研究對象，重點分析了基于BP神經網絡、融合傳感器技術的地面主通風機故障診斷系統硬件、軟件設計思路和方法，并完成系統測試，結果如下。

(1) 對設備運行過程中的振動信號進行分析和特征值提取，實現了設備故障的快速、精確定位。

(2) 經系統測試，該故障診斷系統滿足地面主通風機功能需求，有助于提升地面主通風機的運行效率和安全系數。

(3) 風機一旦出現故障，風機診斷系統發出報警及時通知值班人員，通過采取相應的措施，確保礦井安全供風。