龍秉政

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

引言

主通風(fēng)機(jī)是礦井最關(guān)鍵的機(jī)電設(shè)備之一，其主要任務(wù)是供給井下足夠的新鮮空氣，滿足工作人員對(duì)氧氣的需要，同時(shí)沖淡或攜出有毒有害氣體，優(yōu)化并保障工作環(huán)境的安全性。礦井主通風(fēng)機(jī)全年24 h不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，源源不斷地將新鮮空氣送入井下。一旦其發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn)，一是要快速切換備用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行不間斷供風(fēng)，二是要對(duì)故障進(jìn)行迅速診斷并處置，盡快恢復(fù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，如何保障通風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于礦井主通風(fēng)機(jī)的各類故障必須高度重視，從對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入手，建立礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上及時(shí)識(shí)別并定位各類故障，盡早對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行處置，避免故障擴(kuò)大及事故惡化[1-3]，從而保障礦井安全生產(chǎn)。

1 主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)組成及狀態(tài)參數(shù)采集

礦井主通風(fēng)機(jī)主要包括抽出式、壓入式及混合式三種供風(fēng)方式，其中尤以抽出式工作方式應(yīng)用最為常見。其工作原理是通過葉輪的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化并輸送出空氣流體。目前對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)主要包括供風(fēng)效率高、能耗低、噪聲小，而且設(shè)備穩(wěn)定性高、占用空間小、安裝使用較為方便。本次研究工作的對(duì)象為在各礦區(qū)廣泛應(yīng)用的FBCDZ型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)。其組成部分包括集流器、整流罩、擴(kuò)壓器、葉輪、風(fēng)機(jī)、電機(jī)、軸承等[4-5]。

當(dāng)前我國(guó)礦井主通風(fēng)機(jī)普遍配備了監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，目的是對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全程在線監(jiān)控?；诜植荚谕L(fēng)機(jī)內(nèi)的信號(hào)采集裝置，不斷搜集、上傳相關(guān)數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備各種故障及隱患情況，從而對(duì)故障的診斷處置提供指導(dǎo)。而對(duì)主通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)包括設(shè)備溫度及振動(dòng)情況，一旦監(jiān)測(cè)到的信號(hào)參數(shù)超過設(shè)定的警戒值，就會(huì)發(fā)出故障警報(bào)。常見的主通風(fēng)機(jī)傳感器布置模式如圖1所示。對(duì)風(fēng)機(jī)和電機(jī)兩側(cè)的軸承均實(shí)施溫度監(jiān)控，設(shè)定的溫度報(bào)警值為65℃。同時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)施水平和垂直方向上的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)電機(jī)、軸承實(shí)施水平和垂直方向上的軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖1 主通風(fēng)機(jī)傳感器布置示意圖

2 主通風(fēng)機(jī)故障類型

礦井主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機(jī)械及電氣元件較多，在長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行的工況條件下，較難保持長(zhǎng)時(shí)間健康穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，故障類型較多，故障頻次也相對(duì)較高。其具體主要包括風(fēng)機(jī)故障及電機(jī)故障兩類[6-8]，分別介紹如下：

2.1 風(fēng)機(jī)故障

風(fēng)機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行，容易發(fā)生振動(dòng)異常、構(gòu)件松動(dòng)、溫度過高、噪聲增大等故障。振動(dòng)異?？赡苁怯捎陔妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡、葉片偏心、轉(zhuǎn)子摩擦等引起的；構(gòu)件松動(dòng)可能是由于裝配及安裝問題、長(zhǎng)時(shí)間異常振動(dòng)及共振、螺栓松動(dòng)等引起的；溫度過高可能是由于裝配不當(dāng)、異常摩擦生熱、潤(rùn)滑不足等引起的；噪聲增大可能是由于振動(dòng)及松動(dòng)、轉(zhuǎn)子偏離、葉片損壞、軸承磨損等產(chǎn)生的。

2.2 電機(jī)故障

電機(jī)的構(gòu)成要素包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分，電機(jī)故障主要包括振動(dòng)異常、聲音異常、溫度過高及產(chǎn)生異味等。振動(dòng)異常故障最為常見，產(chǎn)生原因也較多，例如電壓不穩(wěn)定、定子繞組不對(duì)稱、轉(zhuǎn)子偏心或不平衡、傳動(dòng)裝置裝配不當(dāng)?shù)染锌赡軐?dǎo)致電機(jī)的異常振動(dòng)，致使電機(jī)負(fù)載增大、噪聲增大、壽命降低等；電機(jī)聲音異常預(yù)示著較為明顯的故障，應(yīng)引起足夠重視，出現(xiàn)的原因可能是電氣原因形成的電磁噪聲、軸承磨損形成的噪聲、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)松動(dòng)或摩擦引起的噪聲等；電機(jī)溫度過高或產(chǎn)生異味通常也預(yù)示著較嚴(yán)重的故障，出現(xiàn)原因包括電機(jī)散熱不暢、電壓過大、電氣短路、繞組燒毀、電機(jī)燒毀等。

3 主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為有線通信方式，存在布線復(fù)雜、線路故障率高、安裝與維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不同，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在各種類型的無(wú)線通信方式中，Zigbee通信具備功耗低、信號(hào)強(qiáng)、網(wǎng)速快、成本低等優(yōu)勢(shì)，非常適宜應(yīng)用在礦井主通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中?；赯igbee通信技術(shù)，建立礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該系統(tǒng)的組成部分主要包括上層的數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、監(jiān)測(cè)中心站、防火墻等，在中間層布置各網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)總線及監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過各協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)，與下層的各傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與分析，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行溫度及振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)以外，還會(huì)安裝傳感器對(duì)通風(fēng)機(jī)的噪聲、風(fēng)速參數(shù)等，提高系統(tǒng)的監(jiān)控覆蓋面。數(shù)據(jù)采集并逐級(jí)上傳后，最終在監(jiān)測(cè)中心站進(jìn)行計(jì)算分析，并進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、故障預(yù)警及分析處置。

圖2 在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 設(shè)備故障的快速診斷及處置

基于在線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，主通風(fēng)機(jī)的故障診斷還應(yīng)用到數(shù)據(jù)的模糊推理和分析診斷。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)超限，會(huì)啟動(dòng)模糊推理機(jī)故障診斷模塊，將監(jiān)測(cè)到的參數(shù)上傳數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而識(shí)別故障類型，發(fā)出故障警報(bào)，查找故障原因，出示故障處置方法，為用戶提供精準(zhǔn)的故障處置方法，實(shí)現(xiàn)故障快速有效診斷的目標(biāo)。由于主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障類型也呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性，一些非正常運(yùn)行如果只靠專業(yè)人員調(diào)查解決難免難度大、工作量過大，而模糊推理及故障診斷的功能是結(jié)合專家系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行推理，以確定故障類型及其原因，大大提高了處置效率。當(dāng)監(jiān)測(cè)并識(shí)別出故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并迅速確定故障類型、故障位置并提出有效的應(yīng)對(duì)措施，然后工作人員根據(jù)專家系統(tǒng)建議再實(shí)施一系列的故障應(yīng)急處置，之后系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障信息及處置情況進(jìn)行記錄，生成報(bào)表，以便事后查詢及分析。

3.3 人機(jī)交互軟件研發(fā)及應(yīng)用

一個(gè)好的系統(tǒng)必須具備良好的人機(jī)交互性。人機(jī)交互性的好壞，首先體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶通過主界面來使用不同的功能模塊，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整、數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表的生成，最主要的是整個(gè)設(shè)備監(jiān)控及故障診斷的過程與結(jié)果均會(huì)通過人機(jī)交互的操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，從而方便技術(shù)人員更好地利用系統(tǒng)來進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用和管理。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及MATLAB編譯程序來完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，類似常規(guī)的Windows窗口界面，工作人員可以方便地對(duì)主通風(fēng)機(jī)實(shí)施啟停、緊急制動(dòng)、參數(shù)調(diào)整等操作，還能夠選擇通風(fēng)機(jī)及通風(fēng)方式，具備數(shù)據(jù)查詢、曲線及報(bào)表生成等功能。對(duì)于最為核心的故障診斷模塊，以噪聲異常故障為例，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)模糊推理概率大小，自動(dòng)診斷出故障原因?yàn)椤稗D(zhuǎn)子葉片磨損過大”，解決方案是“及時(shí)維護(hù)并更換葉片”，工作人員可根據(jù)提示進(jìn)行人工排查并處置，及時(shí)解決故障問題。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)作為煤礦信息化及智能化的重點(diǎn)突破方向，作用會(huì)越來越凸顯，也會(huì)得到更多的重視和發(fā)展。本文通過以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用，建立起礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳，基于模糊計(jì)算原理在監(jiān)測(cè)中心站進(jìn)行分析，并在人機(jī)交互軟件中進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、故障預(yù)警及分析處置。結(jié)合軟硬件的研發(fā)及測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)性能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有利于保障煤礦主通風(fēng)機(jī)安全高效通風(fēng)。