基于PLC 的礦井通風機運行狀態監測及預警體系的應用研究

陳浩銳

（晉能控股集團趙莊煤業， 山西 長治 046600）

0 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”，主要用于向煤礦井下通入新鮮空氣，將井下綜采作業過程中產生的瓦斯等有害氣體排出巷道，保證井下的安全生產，因此一旦通風系統的運行出現故障，將給煤礦井下的綜采作業帶來嚴重的安全隱患。目前，對通風機運行情況的監控主要是通過對風量、風速、電流的分析來判斷風機是否運行正常，但該監測方案存在著較大的局限性，難以對風機運行時的機械故障進行判斷，而且對風機進行停機維護時也是憑維護人員的經驗進行保養，難以發現風機內部的隱含故障，無法滿足井下智能通風控制的需求[1]。針對現有礦井通風系統的不足，結合影響通風控制需求，提出了一種新的基于PLC 的礦井通風機運行狀態監測及故障預警體系，在對風機運行故障進行分析的基礎上，獲取了各類故障的機理和征兆，對風機運行狀態監測體系的原理、架構和傳感器的布置位置進行了分析。

1 風機常見故障及征兆

為了確定風機運行時的常見故障類型及故障征兆，為風機運行監測及預警提供依據，經過對近3 000組風機異常運行狀態的分析發現風機運行時的常見故障主要包括以下幾種[2]：

1）風機轉子不平衡：在運行過程中會表現出風機振動信號明顯且呈現出較小的高次諧波。

2）風機轉子不對中：轉子不對中時會導致風機在運行過程中產生明顯的高倍頻諧波，風機在運轉過程中的振動會加劇，而且在風機轉子處的溫度會快速升高。

3）風機軸承故障：風機軸承故障會導致風機機組在運行過程中產生明顯的振動，主要表現為高頻次的諧波突出，電機軸承位置的溫度明顯升高，風機電流出現波動等。

4）風機葉片損傷：風機葉片損傷主要會導致風機在運行時產生較大的振動以及持續性的噪聲。

5）風機電氣故障：電氣故障主要是指各類控制信號異常，導致風機運行時的運行故障，主要表現為電流、電壓異常。

通過對風機故障類型的分析，在風機故障中機械故障占據了整個故障的85%以上，在對故障現象進行分析的基礎上可以確定，通過對風機運行時的振動、電機溫度、電流、電壓信號的監測來實現對風機運行狀態的準確判斷。

2 運行監測控制系統結構

根據風機運行狀態監測需求，本文所提出的通風機運行狀態監測系統整體結構如圖1 所示，主要包括監測設備、傳感器、數據采集卡以及數據主機四個部分，結構緊湊、可靠性好、模塊化程度高，能夠根據不同的監測需求進行快速的調整，滿足不同類型風機運行狀態監測可靠性需求。

圖1 風機運行狀態監測系統結構示意圖

在該監測系統中，通過布置在風機上的各類傳感器設備對風機運行時的運行狀態參數進行實時監測，然后將監測結果傳輸到數據采集卡和監測平臺主機，對數據進行分類和存儲，然后再通過以太網傳輸到信號分析處理設備內，對監測信息進行對比判斷，確定風機的運行狀態，然后將分析結果實時顯示在設備監測屏幕上，便于監控人員對風機運行情況進行控制。

為了滿足靈活控制的需求，當監控人員發出調節控制指令后，這些指令轉換為電流和電壓控制信號，然后在數據量控制模塊內進行PID 模糊控制分析，對數據進行增強和處理后輸出變頻調節信號，控制對風機運行狀態的調整，同時監控系統對風機調整的情況進行監測，將監測結果和控制信號進行對比，獲取偏差值，然后再對風機的運行狀態進行靈活修正，最終確保風機在運行過程中的穩定性和調節精確性，該調控系統結構如圖2 所示。

圖2 傳感器位置分布示意圖

圖2 風機運行調控系統結構示意圖

3 傳感器位置優化

傳感器監測結果直接反應了風機的運行情況，因此其監測結果的準確性是該風機運行狀態監測系統正常工作的基礎，傳感器的位置不同其監測結果會呈現較大的差異性，在選擇傳感器安裝位置的時候除了要考慮監測準確性的需求外，還需要考慮傳感器安裝的可行性和穩定性，因此經過多次試驗驗證，最終確認了各傳感器的最佳位置分布情況，結果如圖3 所示。

由圖2 可知，在電機前級電機徑向端設置一個加速度振動傳感器，對電機的振動情況進行監控，如圖3 中位置1 所示；位置2（電機轉軸）處設置一個轉速傳感器，對電機轉速進行測量；位置3（葉片間殼體軸向位置）處設置一個振動傳感器；位置4（葉片間殼體前部徑向位置）處設置一個振動傳感器；位置5（葉片間殼體后部徑向位置）處設置一個振動傳感器，用于分布測量風機在運行過程中的振動情況。

4 應用效果分析

為了對該風機運行監測系統的時間應用效果進行分析，本文對風機運行控制系統進行改造，對優化前后的運行情況進行分析，結果表明優化后，風機運行時的平均故障數量由最初的44.6 次/月降低到了目前的2.98 次/月，風機在運行時的維護周期由最初的2.4 h 降低到了目前的1.2 h，而且由于能夠定期輸出運行狀態分析報告，顯著提升了風機維護效率和可靠性，為進一步提升井下通風安全奠定了堅實的基礎，具有極大的應用推廣價值。

5 結論

1）風機運行時的常見故障主要包括風機轉子不平衡、風機轉子不對中、風機軸承故障、風機葉片損傷、風機電氣故障。

2）通風機運行狀態監測系統主要包括監測設備、傳感器、數據采集卡以及數據主機四個部分，結構緊湊、可靠性好、模塊化程度高，能夠根據不同的監測需求進行快速的調整，滿足不同類型風機運行狀態監測可靠性需求。

3）該系統自應用以來，將風機的運行故障率減少了93.3%以上，將風機維護周期縮短了49.2%，顯著提升了風機運行的穩定性和安全性。