鄭晨晨

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037016）

引言

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)礦井的正常運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，礦井通風(fēng)性差，長(zhǎng)期的煤礦開采使得礦井積累了大量的粉塵和有毒有害氣體，而煤礦主通風(fēng)機(jī)作為煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，不僅可以將粉塵和有毒有害氣體排除，而且可以將外界新鮮空氣源源不斷地輸送進(jìn)來，對(duì)改善礦井環(huán)境和提升工作人員健康狀態(tài)具有明顯的作用。傳統(tǒng)煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和設(shè)備管理上技術(shù)手段較落后，不僅對(duì)主通風(fēng)機(jī)各類指標(biāo)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)覆蓋率低，而且管理智能化程度低，無法根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的隱患和故障[1-2]，對(duì)主通風(fēng)機(jī)整體可靠性作出預(yù)測(cè)。為此，本文基于MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件設(shè)計(jì)了一套煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)。

1 煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可靠性影響因素

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性運(yùn)行的影響因素包括三個(gè)方面，分別為設(shè)備本體因素、外界環(huán)境因素、管理技術(shù)因素。三個(gè)因素相互影響，相互制約，共同作用。其中設(shè)備本體因素主要為設(shè)備質(zhì)量、性能及后期的運(yùn)維保養(yǎng)；外界環(huán)境因素包括礦井溫度、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛取L(fēng)速、設(shè)備工作電流等；管理技術(shù)因素包括自動(dòng)化管理技術(shù)水平、管理維護(hù)策略等[3]。

一個(gè)可靠的煤礦通風(fēng)系統(tǒng)需要具備如下條件：礦井環(huán)境質(zhì)量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并能持續(xù)保持；可自適應(yīng)調(diào)節(jié)礦井風(fēng)量、風(fēng)速、風(fēng)壓，降低粉塵及有害氣體濃度，調(diào)控事故的風(fēng)險(xiǎn)性；系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，以經(jīng)濟(jì)節(jié)能的工作方式運(yùn)行。

研究設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)非常有必要。該系統(tǒng)不僅可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)主通風(fēng)機(jī)及環(huán)境的狀態(tài)信息，而且可以根據(jù)監(jiān)測(cè)信息智能預(yù)測(cè)隱患和故障，并提供合理的設(shè)備維護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。本文從兩個(gè)方面設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，一是構(gòu)建系統(tǒng)需要的硬件基礎(chǔ)，二是軟件平臺(tái)。

2 煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)框架基礎(chǔ)

圖1 所示為主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)框架基礎(chǔ)圖。整個(gè)管理系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、底層數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、可靠性分析與管理子系統(tǒng)組成。上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)通過組態(tài)監(jiān)控軟件MCGS 進(jìn)行開發(fā)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示、存儲(chǔ)、故障判斷及預(yù)警、可靠性預(yù)測(cè)結(jié)果顯示、控制指令下發(fā)等功能；底層數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由PLC 控制器、傳感器檢測(cè)單元、變頻調(diào)速單元、主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及環(huán)境組成，負(fù)責(zé)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、上傳，同時(shí)擁有對(duì)主通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速功能，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)量、風(fēng)壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；可靠性分析與管理子系統(tǒng)基于上位機(jī)MATLAB 軟件進(jìn)行開發(fā)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)采集到的模擬量、數(shù)字量進(jìn)行處理分析，建立主通風(fēng)機(jī)可靠性評(píng)價(jià)機(jī)制，為可靠性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 井上遠(yuǎn)程控制室硬件方案設(shè)計(jì)

下頁(yè)圖2 所示為井上遠(yuǎn)程控制室硬件方案。井上遠(yuǎn)程控制室由監(jiān)控主站、監(jiān)控分站、打印機(jī)、交換機(jī)、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器等組成。監(jiān)控主站內(nèi)置組態(tài)監(jiān)控軟件MCGS，監(jiān)控分站內(nèi)置MATLAB 軟件。這是可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)，通過這些設(shè)備，管理系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，利用大容量快速度的服務(wù)器可以高效率地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、分析及結(jié)果預(yù)測(cè)，可運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)雜的智能控制算法?？刂剖以O(shè)備之間通過以太網(wǎng)互聯(lián)，同時(shí)交換機(jī)與井下PLC 控制器也通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接。

圖2 井上遠(yuǎn)程控制室硬件方案

2.2 井下數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

圖3 所示為井下數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)硬件方案，由PLC 控制器、變頻調(diào)速系統(tǒng)、各類礦用傳感器組成。礦用傳感器包括溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、風(fēng)速傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、風(fēng)壓傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的工況信息及周圍環(huán)境的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過PLC 上傳給可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)軟件，數(shù)據(jù)信息可用來進(jìn)行故障預(yù)警及可靠性評(píng)估；PLC 控制器起承上啟下的作用，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、變頻調(diào)速系統(tǒng)頻率給定控制、控制調(diào)速、故障預(yù)警等；變頻調(diào)速系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，可讓通風(fēng)機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 井下數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)硬件方案

3 主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)基于MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件進(jìn)行開發(fā)，MCGS 組態(tài)軟件位于監(jiān)控主站，MATLAB 軟件位于監(jiān)控分站，監(jiān)控主站與監(jiān)控分站之間通過內(nèi)部以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是基于MATLAB 軟件運(yùn)行的，并將實(shí)時(shí)信息通過通信服務(wù)器與MCGS 監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行傳輸。根據(jù)主通風(fēng)機(jī)可靠性管理需求，系統(tǒng)將MCGS 監(jiān)控平臺(tái)分為五大模塊，分別包括登錄模塊、采集參數(shù)設(shè)置模塊、可靠性預(yù)測(cè)與維護(hù)模塊、數(shù)據(jù)顯示與管理模塊、幫助模塊，系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)平臺(tái)框圖

3.1 登錄模塊

登錄模塊包括用戶登錄、用戶注銷、新增用戶功能。該模塊主要是為了賦予工作人員使用權(quán)限，防止外部非法用戶登錄管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管控。

3.2 采集參數(shù)設(shè)置模塊

采集參數(shù)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)對(duì)主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的各類參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，包括底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸通道選擇、數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)定、負(fù)壓上下限報(bào)警設(shè)置、自動(dòng)變頻給定等。

3.3 可靠性預(yù)測(cè)與維護(hù)模塊

該模塊由可靠性預(yù)測(cè)界面、故障診斷界面、故障預(yù)警界面、維護(hù)策略界面構(gòu)成?？煽啃灶A(yù)測(cè)及故障診斷采用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的分析和特征提取，導(dǎo)入建立的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)的可靠性預(yù)測(cè)及故障診斷，通過故障類型類推故障原因，提供相應(yīng)的系統(tǒng)維護(hù)策略。系統(tǒng)將主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了等級(jí)劃分，智能模型會(huì)根據(jù)不同等級(jí)給出不同的維護(hù)策略，一旦超出等級(jí)范圍，將進(jìn)行故障預(yù)警。

3.4 數(shù)據(jù)顯示與管理模塊

數(shù)據(jù)顯示與管理模塊由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢、報(bào)表下載等組成。該模塊可將主通風(fēng)機(jī)的溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、啟停等信號(hào)，礦井中的風(fēng)速、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛鹊刃盘?hào)以實(shí)時(shí)曲線的形式進(jìn)行顯示。各種信號(hào)分別在不同的界面框圖中顯示，各種信號(hào)的曲線顏色也不相同。歷史數(shù)據(jù)曲線同樣如此。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

該系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)開始于2019 年5 月，于2020年7 月完成整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，目前已經(jīng)投入運(yùn)行1 年零1 個(gè)月。從整體運(yùn)行情況來看，通過該可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主通風(fēng)機(jī)設(shè)備及周圍環(huán)境的全方面監(jiān)測(cè)，并以良好的可視化環(huán)境呈現(xiàn)給工作人員；通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的智能分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主通風(fēng)機(jī)的可靠性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，大大提升了對(duì)主通風(fēng)機(jī)的管理水平；借助BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以給出合理的維護(hù)策略，表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性，可向煤礦企業(yè)進(jìn)行推廣使用。

5 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)的煤礦主通風(fēng)機(jī)可靠性維護(hù)管理系統(tǒng)，硬件上以普通PC 為上位機(jī)，以服務(wù)器、PLC 控制器、各類傳感器、變頻調(diào)速單元為基礎(chǔ)，軟件上采用MCGS 組態(tài)軟件和MATLAB 軟件聯(lián)合開發(fā)，該系統(tǒng)可對(duì)主通風(fēng)機(jī)工況信息和環(huán)境信息進(jìn)行全方位、全生命周期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，擁有對(duì)主通風(fēng)機(jī)的可靠性預(yù)測(cè)機(jī)制和故障診斷機(jī)制，根據(jù)結(jié)果可提供相應(yīng)的管理維護(hù)策略，集監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、診斷、控制于一體，顯著提高主通風(fēng)機(jī)管理的智能化和自動(dòng)化程度。