高 炳

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備修造廠，山西 介休 032000）

引言

礦井主通風(fēng)機(jī)是保障礦井可靠通風(fēng)及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其重要性體現(xiàn)在不間斷地向井下輸送新鮮空氣，同時(shí)排出粉塵及“乏風(fēng)”氣體，形成有效的礦井循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)。礦井主通風(fēng)機(jī)的重要性體現(xiàn)在以下方面：一旦主通風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致設(shè)備損壞、風(fēng)流紊亂和通風(fēng)不暢，重則導(dǎo)致有害氣體積聚、瓦斯超限、氧氣不足、災(zāi)害發(fā)生，甚至人員傷亡。因此，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)故障診斷專家系統(tǒng)，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)故障分析及常見(jiàn)故障診斷方法

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(jiàn)。而且對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)得到了越來(lái)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)備占用空間小，安裝使用較為方便。對(duì)于對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，其故障主要包括風(fēng)機(jī)故障及電機(jī)故障兩類，具體介紹如下。

1.1 風(fēng)機(jī)故障分析

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(guò)高、噪聲增大等故障。振動(dòng)異常可能是由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、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(wèn)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(guò)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、軸承磨損等引起的。

1.2 電機(jī)故障分析

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(guò)高及異味等。其中以振動(dòng)異常故障最為常見(jiàn)，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)?，?dǎo)致電機(jī)負(fù)載增大、噪聲增大、壽命降低等；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)件松動(dòng)或摩擦引起的噪聲等；溫度過(guò)高或產(chǎn)生異味通常也預(yù)示著較嚴(yán)重的故障，出現(xiàn)的原因包括電機(jī)散熱不暢、電壓過(guò)大、電氣短路、繞組燒毀、電機(jī)燒毀等。

自工業(yè)革命以來(lái)，機(jī)電設(shè)備廣泛應(yīng)用并發(fā)展，逐漸形成了綜合性的故障診斷學(xué)科，其不僅局限于礦井主通風(fēng)機(jī)的故障診斷，對(duì)整個(gè)學(xué)科所形成的故障診斷方法也是十分豐富的，主要包括基于解析模型的故障診斷方法、基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的故障診斷方法、基于信號(hào)處理的故障診斷方法3 種，又可細(xì)分為參數(shù)估計(jì)法、狀態(tài)估計(jì)法、等價(jià)空間法、專家系統(tǒng)法、模糊推理法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、故障樹(shù)分析法、時(shí)頻分析法、時(shí)序分析法等[4-8]。本文研究使用了模糊推理方法建立起故障診斷專家系統(tǒng)，對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的故障檢測(cè)及處置提供有效監(jiān)控及指導(dǎo)。

2 故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合故障診斷學(xué)科的基本原理，在對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)各類故障案例進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析及模糊推理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于模糊推理的故障診斷專家系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

首先，明確故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。整個(gè)系統(tǒng)的建立流程主要可分為4 步，如下頁(yè)圖1 所示。具體內(nèi)容為：第一步是大量故障案例及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析階段；在大量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立起第二步的信息模塊，該模塊主要包括3 個(gè)模型，分別是數(shù)據(jù)庫(kù)模型、知識(shí)庫(kù)模型、診斷推理模型（模糊推理模型），這是整個(gè)專家系統(tǒng)的知識(shí)及數(shù)據(jù)來(lái)源，是實(shí)施設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障診斷的基礎(chǔ)；第三步是建立功能模塊，包括主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、系統(tǒng)幫助模塊、數(shù)據(jù)生成查詢及報(bào)警模塊等；第四步是建立結(jié)構(gòu)模塊，也就是系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)模塊，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)故障的診斷、處置等功能。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

2.2 故障診斷專家系統(tǒng)的建立

按照既定流程，依據(jù)結(jié)構(gòu)化工作原理進(jìn)行故障診斷專家系統(tǒng)的搭建。整個(gè)系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)需要的設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障診斷功能，并保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、診斷的精確性、良好的人機(jī)交互性等要求，需要建立以下功能模塊，具體的故障診斷專家系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控模塊

設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控模塊主要對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以分別實(shí)現(xiàn)通風(fēng)方式選擇、風(fēng)機(jī)選擇、參數(shù)調(diào)控、控制操作等，包括正常通風(fēng)方式和反通風(fēng)方式兩種，可以選擇1 號(hào)或2 號(hào)主通風(fēng)機(jī)；可以對(duì)各子系統(tǒng)實(shí)施運(yùn)行控制；可以對(duì)兩個(gè)主通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓全壓數(shù)據(jù)、繞組及軸承溫度、風(fēng)速、氣流、瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)，并通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)處理等功能。

2.2.2 模糊推理及故障診斷模塊

模糊推理及故障診斷模塊包括自動(dòng)故障診斷和模糊推理診斷兩項(xiàng)功能。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)模糊推理及故障診斷模塊，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。由于主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，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(guò)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。

2.2.3 即時(shí)報(bào)警及應(yīng)急處置模塊

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并識(shí)別出故障時(shí)，必須及時(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，處置過(guò)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，以便查詢及分析。

2.2.4 人機(jī)交互模塊

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，主要體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶通過(guò)主界面來(lái)使用系統(tǒng)不同的功能模塊，可進(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(guò)程與結(jié)果均會(huì)通過(guò)人機(jī)交互的操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而方便技術(shù)人員更好地利用系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用和管理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

整個(gè)故障診斷專家系統(tǒng)可以根據(jù)礦井具體情況及任務(wù)需求，利用系統(tǒng)內(nèi)的各類傳感器、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、模糊推理及診斷系統(tǒng)等模塊，完成系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。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 編譯程序完成系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)的礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)界面如下頁(yè)圖3 所示。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，還能夠選擇使用通風(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)所上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)模糊推理的概率，自動(dòng)診斷出故障原因?yàn)椤稗D(zhuǎn)子葉片磨損過(guò)大”，解決方案是“及時(shí)維護(hù)并更換葉片”等，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(wèn)題。

圖3 礦井主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控及故障診斷專家系統(tǒng)界面

4 結(jié)語(yǔ)

礦井主通風(fēng)機(jī)安全監(jiān)控及故障診斷專家系統(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(lái)越凸顯，也會(huì)得到更多的重視和發(fā)展。對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造，推倒重建是一個(gè)思路，但投入成本大，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程影響大，不易施行；而在現(xiàn)有設(shè)備和條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)更新改造，基于具體的礦井生產(chǎn)和應(yīng)用條件，通過(guò)較小的投入、較短的工期，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效監(jiān)控和故障的應(yīng)急處置，不失為一個(gè)好的思路。礦井主通風(fēng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)取得了成功，利用新技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)改造，并成功地進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的應(yīng)用效果，大大降低了成本、縮短了工期，提高了礦井主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性及礦井安全管理水平。