礦井通風機運行穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的應用分析

陳小建

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

礦井通風系統(tǒng)作為煤礦的核心裝備，主要用于向井下通入新鮮的空氣，保證井下巷道內的空氣流通，其運行的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了井下綜采作業(yè)的安全性。多數(shù)礦井由于建立較早，因此礦井通風控制系統(tǒng)的控制相對落后，風機只能以定轉速進行通風作業(yè)，而且風機無法實現(xiàn)對運轉狀態(tài)的自動監(jiān)測，只能依靠巡檢人員進行定期巡檢和維護，保障礦井通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，導致風機運行時的故障率高、能耗大、磨損嚴重，難以滿足風機運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的需求[1]。

1 礦井通風機自動控制系統(tǒng)

礦井通風系統(tǒng)工作的核心是能夠根據(jù)煤礦井下的空氣情況來控制風機的運行轉速，達到經(jīng)濟運行的需求，同時系統(tǒng)還需要能夠自動檢測風機運行狀態(tài)是否正常，對異常信息進行自動定位和預警，提醒監(jiān)控人員及時檢查和維修，保證礦井通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性。

結合礦井通風系統(tǒng)的運行需求，本文所提出的礦井通風自動控制系統(tǒng)采用了模塊化的結構設計方式，將不同的模塊進行集成，從而能夠根據(jù)風機的運行需求進行拓展和改進，該通風系統(tǒng)整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 礦井通風自動控制系統(tǒng)結構示意圖

由圖1 可知，該自動監(jiān)控系統(tǒng)主要包括了信號采集模塊、信號轉換模塊、人機交互模塊及數(shù)據(jù)通信模塊四個部分[3]。信號采集模塊是該監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，通過在通風機、電控柜、風門、變頻器上設置各類監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)中各種設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

信號轉換模塊主要用于對各類監(jiān)測信號進行模擬量和開關量轉換，提高信號的飽和度，減少在傳播過程中的干擾和失真。人機交互模塊主要是顯示礦井通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于監(jiān)控人員及時掌握各類信息，提高礦井通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)通信模塊主要用于保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性、可靠性、及時性。

2 通風系統(tǒng)自動控制邏輯

為了滿足礦井通風系統(tǒng)集中調整的控制邏輯，風機的運行調控信息均通過人機交互模塊滿足運行控制需求，首先通過設置在煤礦井下的各類傳感器對井下粉塵濃度、瓦斯含量、風量等進行監(jiān)測，確定井下的通風需求，然后由控制中心發(fā)出調節(jié)控制指令給變頻器，由變頻器輸出變頻控制信號，實現(xiàn)對風機運行轉速和風機運行功率的控制[4]。

為了保證對通風系統(tǒng)控制的精確性，系統(tǒng)采用了閉環(huán)反饋+PID 控制邏輯[5]，當風機根據(jù)變頻器的信號調整后，控制中心再次調用井下的通風狀態(tài)信息，對井下通風情況進行二次查詢，將通風情況和理論調節(jié)需求進行對比，獲取通風狀態(tài)差值，然后再次發(fā)出修正信號，對礦井通風系統(tǒng)的運行情況進行反饋調節(jié)，提高通風系統(tǒng)調整的精確性。在對井下通風狀態(tài)和調整量進行分析時采用了PID 控制邏輯，能夠簡化數(shù)據(jù)分析流程，提高系統(tǒng)反應的靈敏性和可靠性，該風機自動調整控制邏輯如圖2 所示[6]。

圖2 通風機自動調整控制邏輯示意圖

3 通風機故障檢測系統(tǒng)

根據(jù)對歷史數(shù)據(jù)的分析，通風系統(tǒng)在運行時的故障主要包括了電氣故障和機械故障兩個方面。電氣故障主要是指通風系統(tǒng)各類電壓、電流、變頻控制信號輸入或者輸出異常、信號中斷等，對通風系統(tǒng)電氣故障的排查主要是利用傳感器監(jiān)測信號閾值法，對各類電氣控制信號設置一定的閾值，系統(tǒng)對監(jiān)測信息實時進行對比，當超出正常閾值范圍后系統(tǒng)就發(fā)出預警，并將故障特征和初步原因進行顯示[7]。

通風系統(tǒng)的機械故障，主要是指風機在運行過程中因機械磨損、軸承偏位等導致的運行異常[8]，通過對不同情況下異常原因和表現(xiàn)的分析，風機運行的機械故障均會表現(xiàn)為風機在運動過程中的振動異常，因此可以在風機上設置振動傳感器，對風機運行時的振動特性進行監(jiān)測，當出現(xiàn)異常振動信息后系統(tǒng)進行自動報警和振動特征分析，初步確定振動源和故障類別，便于監(jiān)測人員進行快速故障排除，避免故障范圍進一步擴大，提高礦井通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。不同故障特性下的風機振動頻譜特性如圖3 所示[9]。

圖3 不同故障類別下的振動特性示意圖

4 井下應用情況

以FBCDZ29/2×450 主通風機控制系統(tǒng)為研究對象，在優(yōu)化前，風機為定轉速運行模式，由于長期在高轉速下運行，因此風機的能耗和磨損較大，導致風機在實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)各類故障。據(jù)統(tǒng)計，風機的平均故障數(shù)量達到了0.4 次/d，風機運行時的能耗也較高，難以滿足通風系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行需求。在利用礦井通風機運行穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)進行改造后，風機運行過程中的平均故障數(shù)量降低到了0.05 次/d，風機運行故障數(shù)量降低了88.4%，風機在運行時的轉速由1 450 r/min 降低到了1 200 r/min，運行時的能耗平均降低了17.2%，顯著地提升了礦井通風系統(tǒng)在運行過程中的經(jīng)濟性。礦井通風系統(tǒng)運行穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)界面結構如圖4 所示。

圖4 通風系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)界面示意圖

5 結論

1）通風機運行狀態(tài)自動監(jiān)控系統(tǒng)主要包括了信號采集模塊、信號轉換模塊、人機交互模塊及數(shù)據(jù)通信模塊四個部分；

2）采用閉環(huán)反饋+PID 控制邏輯能夠簡化數(shù)據(jù)分析流程，提高系統(tǒng)反應的靈敏性和可靠性；

3）通風機故障檢測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對礦井通風系統(tǒng)電氣故障和機械故障的精確判斷；

4）新的礦井通風監(jiān)測系統(tǒng)能夠將風機運行故障降低88.4%，將風機運行能耗降低17.2%，能夠有效提升礦井通風系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性。