劉 寧

（山西靈石華瀛天星集廣煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031300）

引言

當(dāng)前，我國(guó)煤礦采用的主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)不合理，實(shí)際工礦和原定工礦差距較大；主通風(fēng)機(jī)選型過(guò)大，設(shè)置的安全風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際需風(fēng)量，造成電能極大浪費(fèi)。因此，主通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量需要根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能安全生產(chǎn)[1]。作為大型礦井通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的主通風(fēng)機(jī)，需要研發(fā)相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制。

當(dāng)前國(guó)外廣泛使用的主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有德國(guó)公司的TLT型監(jiān)控系統(tǒng)和波蘭公司的SWUP型監(jiān)控系統(tǒng)，上述系統(tǒng)智能化水平高、安全可靠，為世界各國(guó)廣泛采用。相比之下，國(guó)內(nèi)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，但發(fā)展迅猛，目前風(fēng)量調(diào)節(jié)和一鍵倒機(jī)等基本功能均已實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)跨越到智能監(jiān)控，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接了主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和全礦綜合調(diào)度，完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效保證了礦井的安全可靠生產(chǎn)，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化水平。主通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量可以分為以下四種方式：變頻調(diào)節(jié)、動(dòng)葉調(diào)節(jié)、軸向?qū)Я髌髡{(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述四種方式做了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)相對(duì)節(jié)能。國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)量調(diào)節(jié)研究相對(duì)較晚，但進(jìn)展較快。有學(xué)者對(duì)變頻器調(diào)速系統(tǒng)采用模糊PID進(jìn)行控制[2]，并利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制器的查詢表，完成了PLC。上述，多數(shù)國(guó)內(nèi)學(xué)者采用智能控制算法優(yōu)化和設(shè)計(jì)控制器，但相對(duì)較少研究風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因而設(shè)計(jì)控制器不適用大型礦井。主通風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)其故障識(shí)別和排查顯得尤為重要。傳統(tǒng)方法是工程師結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)和故障特征進(jìn)行故障診斷，該方法具有主觀和局限性，當(dāng)前是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析與故障信號(hào)相結(jié)合占據(jù)主流。信號(hào)分析方法主要包括小波變換、希爾伯特黃變換和短時(shí)傅里葉變換，其中短時(shí)傅里葉變換最為經(jīng)典。在獲得信號(hào)參數(shù)后，需要對(duì)故障診斷，通常采用的方法有故障樹(shù)專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和支持向量機(jī)，其中以支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最為常用。

1 主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控方案

本章簡(jiǎn)述常用風(fēng)量調(diào)節(jié)方式和對(duì)軸流式通風(fēng)機(jī)的工作原理[3]，從而確定風(fēng)量調(diào)節(jié)方式，為風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)展開(kāi)數(shù)學(xué)建模，并進(jìn)行了仿真研究；根據(jù)機(jī)械故障機(jī)理，從而對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)需要整體結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行了確定，最后設(shè)計(jì)和完成主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控方案。

平煤五礦采用軸流式風(fēng)機(jī)ANN-3600/2000N型作為主通風(fēng)機(jī)，軸流式通風(fēng)機(jī)的工作原理是，首先從進(jìn)風(fēng)口軸向吸入空氣進(jìn)入葉輪，葉輪推動(dòng)空氣進(jìn)入導(dǎo)葉，其次導(dǎo)葉使空氣流向轉(zhuǎn)化為軸向流動(dòng)，最終空氣輸入擴(kuò)壓器，完成對(duì)井下的供風(fēng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)工作原理的不同，變頻器分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩種，交-交變頻器由于輸出功率因數(shù)較低，因而，目前交-直-交變頻器使用最為普遍，如圖2所示。

圖2 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖

主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程時(shí)，可出現(xiàn)多種故障，可以分為轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中和軸承故障。通過(guò)提取主通風(fēng)機(jī)故障信號(hào)特征參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障的有效診斷。

主通風(fēng)機(jī)需要對(duì)電機(jī)溫度、電參數(shù)、風(fēng)量以及振動(dòng)信號(hào)等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證主通風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行。

調(diào)節(jié)風(fēng)量主要手段為調(diào)節(jié)風(fēng)速，調(diào)速控制算法中，尤以PID控制最為常用。PID控制關(guān)鍵步驟是對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，可分為試湊法和理論計(jì)算法，理論計(jì)算往往與實(shí)際不符，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試；而試湊法則是根據(jù)實(shí)際工況調(diào)試得來(lái)，相比簡(jiǎn)單一些。PID參數(shù)一旦確定，往往不能進(jìn)行更改，因此模糊PID控制應(yīng)運(yùn)而生。模糊PID控制模式通常分為兩種：PID控制與模糊控制分開(kāi)控制系統(tǒng)；模糊控制在調(diào)節(jié)兩種控制器時(shí)難以確定切換時(shí)間點(diǎn)，因此，大多工程使用第二種方式來(lái)達(dá)到模糊PID控制。由于模糊PID控制存在人為進(jìn)行比例因子和量化因子試湊缺陷，需要通過(guò)遺傳算法對(duì)進(jìn)行尋優(yōu)，從而達(dá)到更佳的控制效果。

主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障診斷由于存在頻域分析方法的缺點(diǎn)，故采用EEMD算法分析故障信號(hào)，通過(guò)對(duì)比EMD分析，證實(shí)EEMD在抑制模態(tài)混疊可發(fā)揮有效作用；采用EEMD算法分解5種運(yùn)行狀態(tài)通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)能量熵的方式提取特征參數(shù)，然后應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中；最后在SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中進(jìn)行研究，采用MATLAB模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM只存在一處數(shù)據(jù)識(shí)別錯(cuò)誤，說(shuō)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM機(jī)械故障排查方面識(shí)別率較高。

2 主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，本課題PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖。整個(gè)控制系統(tǒng)核心控制部件為PLC，包括整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)量、溫度和電信號(hào)參數(shù)等的變化，并實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)在上位機(jī)上；接受上位機(jī)的操作命令，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的變頻器與PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，并接受上位機(jī)的程序指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)和風(fēng)門(mén)的控制；主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間發(fā)生故障，會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，除此之外，過(guò)往的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在上位機(jī)上，可以通過(guò)打印機(jī)直接打印。

圖3 PLC控制器硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，選擇器件需要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮多種因素，在設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，盡可能簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)實(shí)用。首先，I/O模擬量數(shù)字量點(diǎn)需要確定，監(jiān)控規(guī)模大小需要確定，并盡可能增加一點(diǎn)裕量，以備系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)建；其次，根據(jù)需求選擇PLC模塊各個(gè)模組型號(hào)，包括通訊模塊信號(hào)CPU型號(hào)和電源模塊型號(hào)等；最后，I/O地址需要進(jìn)行分配，傳感器所用型號(hào)需要確定，除此之外，特殊功能模塊的使用需要兼顧，最終完成和設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

主通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，即上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)。PLC程序設(shè)計(jì)可通過(guò)TIAPortal完成，借助TIAPortal中可以完成PLC程序的設(shè)計(jì)、硬件組態(tài)和調(diào)試等；采用組態(tài)王6.55可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，組態(tài)王可實(shí)現(xiàn)一種高效軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控可通過(guò)設(shè)計(jì)各組件的監(jiān)控畫(huà)面完成。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用仿真模型，證明PID控制效果中模糊PID控制器更佳，離線尋優(yōu)通過(guò)遺傳算法進(jìn)行。通過(guò)對(duì)主通風(fēng)機(jī)機(jī)械故障分解變換，發(fā)現(xiàn)EMD算法模態(tài)混疊的缺陷，采用EEMD算法進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)能量熵提取振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM機(jī)械故障排查方面識(shí)別率較高。