李建峰

（山西辰誠建設(shè)工程有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

煤礦的大量開采加大了井下作業(yè)環(huán)境的惡劣程度。礦用通風(fēng)機作為井下改善空氣質(zhì)量的重要設(shè)備，保證其良好的運行效果及通風(fēng)性能，對保證井下作業(yè)安全至關(guān)重要。通風(fēng)機在井下作業(yè)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)整機振動劇烈、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、信號傳輸滯后等問題，現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)難以較好地保證通風(fēng)機的安全運行[1-3]。因此，有必要設(shè)計開發(fā)通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)。

本文重點分析了通風(fēng)機運行過程中的主要故障問題，從硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)方面，開展了通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)的改進研究，并將其在晉城煤礦的通風(fēng)機上進行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。結(jié)果表明，該故障診斷系統(tǒng)運行正常，功能齊全，能較好地滿足通風(fēng)機運行過程的故障診斷需求，對提高通風(fēng)機及井下作業(yè)安全具有重要意義。

1 通風(fēng)機常見故障

根據(jù)煤礦通風(fēng)機使用工況的不同，將其分為離心式通風(fēng)機和軸流式通風(fēng)機，但其結(jié)構(gòu)基本相同，主要由旋轉(zhuǎn)主軸、葉輪、螺旋外殼、進氣口、出氣口、電機、導(dǎo)流片等部件組成，主要負責(zé)向井下環(huán)境提供新鮮空氣。煤礦通風(fēng)機在使用過程中，出現(xiàn)的故障類型主要包括轉(zhuǎn)子故障、油膜故障、葉片和機殼的振動故障、基座松動故障等[4-6]，下面就這些故障問題進行分析。

（1）轉(zhuǎn)子故障主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定及振動加劇等問題，導(dǎo)致其出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因為：轉(zhuǎn)子在設(shè)計生產(chǎn)過程中，由于存在一定的生產(chǎn)誤差，造成了轉(zhuǎn)子未成對稱分布，加上轉(zhuǎn)子運動過程中與定子之間發(fā)生了較大程度的摩擦現(xiàn)象，加大了轉(zhuǎn)子磨損，導(dǎo)致其運動時的不穩(wěn)定性及振動幅度更加劇烈。轉(zhuǎn)子的異常運動，最終會使通風(fēng)機的通風(fēng)量及風(fēng)壓的檢測信號出現(xiàn)誤檢測等問題。

（2）通風(fēng)機軸承上的潤滑油出現(xiàn)了油膜渦動故障，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生加速或減速情況下的波動變化現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子速度加快后，會使其整體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，最終加劇通風(fēng)機的振動幅度；而轉(zhuǎn)子速度突然減小，導(dǎo)致信號的振幅未來得及立即響應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的持續(xù)降低，信號才突然變?yōu)?，具有響應(yīng)滯后現(xiàn)象，嚴(yán)重影響通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控問題。

（3）通風(fēng)機從井下排出空氣的同時，會夾雜著排出煤塵及其他雜質(zhì)，由此造成了通風(fēng)機極可能發(fā)生喘振故障。喘振現(xiàn)象的發(fā)生，會對通風(fēng)機的軸承、轉(zhuǎn)子、葉片等結(jié)構(gòu)的正常運行產(chǎn)生重大影響，也會加劇通風(fēng)機整機的振動幅度。當(dāng)整機的振動達到一定程度時，則會使通風(fēng)機發(fā)生災(zāi)難性的事故。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合上述對通風(fēng)機運行過程中出現(xiàn)的常見故障分析，有必要建立一套通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對通風(fēng)機運行狀態(tài)的實時檢測，保障其設(shè)備的運行效率和運行安全[7-8]。因此對該故障診斷系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計。

2.1 總體框架圖

通風(fēng)機運行時的主要性能參數(shù)包括通風(fēng)機轉(zhuǎn)速、運行功率、工作電壓、風(fēng)壓、設(shè)備振動幅度等，所建立的硬件系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對這些運行參數(shù)的實時檢測。在這些信號中，振動參數(shù)是通風(fēng)機大部分故障發(fā)生后而造成了最終故障，對通風(fēng)機的運行安全至關(guān)重要。因此，所設(shè)計的硬件系統(tǒng)包括振動傳感器、信號調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、工況軟件平臺等部分。首先在通風(fēng)機上設(shè)計一套振動傳感器，主要實現(xiàn)對通風(fēng)機振動幅度進行信號檢測，并將檢測的振動信號轉(zhuǎn)換為其他電信號后，傳輸至信號調(diào)理系統(tǒng)中，完成對檢測信號的濾波和信號放大處理，通過數(shù)據(jù)采集卡，將放大后的信號進行D/A和A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至數(shù)據(jù)處理中心后，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對采集轉(zhuǎn)換后的信號進行分析處理，將信號與設(shè)置閥值進行對比判斷。當(dāng)超過閥值時，系統(tǒng)則發(fā)出相應(yīng)的報警提示及切斷電源運行等處理措施，最終通過設(shè)計的工控平臺進行信號的實時顯示和曲線繪制。由此，完成對通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)硬件系統(tǒng)工作流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備匹配

故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負責(zé)快速獲取傳感器設(shè)備檢測的各類電信號，并進行信號轉(zhuǎn)換后，傳遞至控制中心進行后續(xù)處理。所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集設(shè)備配備了多路開關(guān)、保持器、放大器等部件。多路開關(guān)可對通風(fēng)機進行多路信號的采集和不同路徑切換；保持器主要負責(zé)對轉(zhuǎn)換前后的信號進行采集，有效防止信號發(fā)生改變現(xiàn)象；放大器主要負責(zé)對輸入信號進行信號的放大或縮小，以保證信號能滿足轉(zhuǎn)換需求。另外，數(shù)據(jù)采集卡是整個采集系統(tǒng)的核心。通過對采集卡的匹配選型，選用了PCI-6259型采集卡，該采集卡具有采樣頻率和精度高、信號采樣穩(wěn)定等優(yōu)點，比一般采集具有更高的分辨率，其主要性能特點如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集卡主要性能參數(shù)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)的重要系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括登錄模塊程序、信號采集模塊程序、信號預(yù)處理模塊程序、網(wǎng)絡(luò)模塊程序、故障診斷模塊程序、報警模塊程序等部分。所設(shè)計的軟件系統(tǒng)依托于VS2010平臺進行開發(fā)，保證其能更好地滿足通風(fēng)機故障診斷要求。下面就軟件系統(tǒng)的典型部分進行設(shè)計分析。

3.1 信號采集模塊程序

結(jié)合上述分析，所設(shè)計的信號采集卡采用了PCI-6259型采集卡，是一款多路低耗能的采集卡，具有較高的采集精度和采集功能。因此，在信號采集模塊程序設(shè)計過程中，設(shè)計了多種API功能，并在程序編寫過程中，添加了ADSAPI32.DIL動態(tài)鏈接文件，可將控制模塊中信號緩存在緩沖區(qū)。同時，通過設(shè)計PCI程序，可將PCI總線中的振動信號傳輸至工控中心，并進行快速保存，也可通過此程序，輸入信號的大小范圍進行快速調(diào)節(jié)。另外，該模塊中所有程序均采用了MATLAB軟件進行程序編寫，實現(xiàn)了該程序代碼與多款軟件的聯(lián)合編寫。由此，完成了信號采集模塊程序的設(shè)計。

3.2 報警模塊

報警模塊是通風(fēng)機的故障診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。因此，在對其進行設(shè)計過程中，采用了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用BP網(wǎng)絡(luò)，通過MATLAB中的API模塊，對報警模塊進行了設(shè)計。通過此過程，可將處理分析后的通風(fēng)機轉(zhuǎn)速、振動情況、運行功率等參數(shù)與設(shè)置的閾值進行對比判斷，但檢測的信號參數(shù)超過設(shè)計閥值時，可通過該報警模塊發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并通過設(shè)計的人機顯示界面進行故障問題的實時顯示。其中，在該報警模塊中，設(shè)計了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析、特征提取、故障報警等功能，其報警功能界面如圖2所示。由此，實現(xiàn)對通風(fēng)機運行故障的報警提示。

圖2 通風(fēng)機故障報警界面圖

4 現(xiàn)場測試效果分析

結(jié)合上述建立的通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)，為進一步驗證其系統(tǒng)性能，將其在晉城煤礦中的通風(fēng)機中進行了接近1個月的現(xiàn)場測試研究，主要將該系統(tǒng)與井下通風(fēng)機進行系統(tǒng)連接?，F(xiàn)場測試表明，該系統(tǒng)運行正常，能對通風(fēng)機的運行功率、運行轉(zhuǎn)速、振動情況、工作電壓、工作溫度等參數(shù)進行實時信號采集與檢測，并將這些信號與設(shè)置的閥值進行對比判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，故障診斷系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并在顯示界面中對通風(fēng)機的故障類型及程度進行實時顯示。通過該故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了對通風(fēng)機約15種運行故障類型的診斷檢測，有效保證了通風(fēng)機的運行效率和運行安全，并得到了現(xiàn)場作業(yè)人員的一致好評。

5 結(jié)束語

提高礦用通風(fēng)機的運行效率及保證其作業(yè)安全，已成為當(dāng)下保障井下作業(yè)安全的重要基礎(chǔ)。因此，分析了通風(fēng)機運行過程中的主要故障問題，開展了通風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)的改進研究，并將其在晉城煤礦的通風(fēng)機上進行了現(xiàn)場應(yīng)用測試。結(jié)果表明，該故障診斷系統(tǒng)能對通風(fēng)機的各類運行參數(shù)進行實時檢查和診斷，針對出現(xiàn)的故障問題，及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，并得到人員的一致認可。該故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，有效保證了通風(fēng)機的運行效果，對提高通風(fēng)機及井下作業(yè)安全具有重要意義。