雷金亮

（山西寧武大運華盛能源集團有限公司，山西 忻州 036700）

大運華盛礦屬于高瓦斯礦井，綜采作業(yè)時瓦斯的最大涌出量約為27.4 m3/t。該井下通風采用了對角混合抽出式，井下的局部風扇處選用的是2 臺FBDNO7.1/2*30 kW 對旋式局部風機，采用了一用一備的布置結(jié)構(gòu)。風機在工作時的全壓運行范圍是600～6624 Pa，產(chǎn)生的風量范圍是480～650 m3/min。目前在對井下局部風扇運行狀態(tài)的監(jiān)測主要采用了人工巡檢的模式，在井下設(shè)置了專門的機電組，安排3 人對礦井通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行巡檢。但由于井下各個局部風扇的布置距離較遠，因此采用人工巡檢的模式巡檢效率低，當風機出現(xiàn)異常時無法及時進行處理，在巡檢過程中也難以發(fā)現(xiàn)風機運行時的隱含故障，難以滿足井下通風安全性的需求。

結(jié)合煤礦機電系統(tǒng)的升級改造，采用了一種新的礦用軸流式風機無人監(jiān)測控制系統(tǒng)，以監(jiān)測與控制技術(shù)為核心，將多傳感器監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行融合，實現(xiàn)了對風機運行狀態(tài)的自動監(jiān)測及預(yù)警，能夠快速地對風機運行時的故障進行判斷和定位。

1 無人值守控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風機運行無人值守的核心需求是將分散的風機進行集中控制[1]，能夠?qū)︼L機運行時的狀態(tài)進行準確判斷，同時系統(tǒng)還能夠根據(jù)所監(jiān)測到的井下的環(huán)境狀態(tài)，對風機的運行參數(shù)進行調(diào)整，當風機出現(xiàn)運行異常時，能夠第一時間進行故障分析、故障定位和故障預(yù)警。因此本文所提出的風機運行狀態(tài)無人值守控制系統(tǒng)采用遠程監(jiān)測、中央管理、現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)的控制架構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

（1）現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)

由圖1，該系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測及調(diào)節(jié)部分主要包括了風機運行參數(shù)監(jiān)測和風機運行狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個部分。對風機運行參數(shù)的監(jiān)測主要是通過各類傳感器設(shè)備及智能監(jiān)測儀器，實現(xiàn)對風機運行時的機組振動情況、機組溫度情況、風機轉(zhuǎn)速、電機溫度的實時監(jiān)測；風機的運行狀態(tài)調(diào)節(jié)部分，主要是通過啟動柜、風門電機啟停等，對風機的運行情況進行調(diào)節(jié)，滿足井下環(huán)境-風機運行狀態(tài)動態(tài)調(diào)整的需求。

圖1 風機無人值守控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）中央管理

中央管理部分主要是包括了通信系統(tǒng)、工業(yè)計算機、視頻顯示單元等，主要是對現(xiàn)場監(jiān)測單元的各類監(jiān)測信息進行綜合及快速分析，及時、準確地確定風機的運行狀態(tài)。

（3）遠程監(jiān)測

遠程監(jiān)測部分主要是將監(jiān)測結(jié)果顯示在監(jiān)控中心處，便于監(jiān)控人員能夠掌握井下的空氣狀態(tài)和風機的運行情況。系統(tǒng)還具有遠程控制功能，允許操作人員對風機的運行情況進行遠程調(diào)控，提高風機運行的靈活性和可靠性。

2 無人值守系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由于煤礦井下的工作環(huán)境比較惡劣，風機長期在高濕、高塵的環(huán)境下工作，因此對無人值守系統(tǒng)的工作可靠性和監(jiān)測精確性提出了更高的需求。結(jié)合無人值守監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，本文所提出的無人值守系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2 所示[3]。

圖2 風機無人值守控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)部分主要包括了監(jiān)控主機、PLC 控制模塊、信息交互模塊、風機運行參數(shù)采集模塊（傳感器）等。

（1）PLC 控制模塊

PLC 控制模塊是該硬件結(jié)構(gòu)的核心，需要能夠?qū)?shù)據(jù)進行快速處理，因此選擇了西門子的SR-08型PLC 處理器，具有體積小、速度快、標準化程度高的優(yōu)勢，且網(wǎng)絡(luò)通信能力較強，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速分析和調(diào)用。

（2）傳感器

傳感器主要包括壓力傳感器和溫度傳感器。壓力傳感器主要是對風機運行時的風壓和壓差進行監(jiān)測，以便確定風機運行時的狀態(tài)是否符合通風系統(tǒng)的設(shè)定值。為了滿足監(jiān)測可靠性的需求，選擇了APG-LC100 型風壓傳感器，能夠使用自身所攜帶的穩(wěn)壓電源保證持續(xù)性的工作，因此具有較高的監(jiān)測精度。對井下溫度的監(jiān)測則選擇了GWWOS90 型數(shù)字傳感器，用于對井下巷道環(huán)境溫度、風機電機的表面溫度進行監(jiān)測。該數(shù)字傳感器還具有溫度實時顯示和數(shù)據(jù)信息交互功能，滿足不同工況下的使用可靠性需求。

機械振動傳感器主要是對風機運行時的振動情況進行監(jiān)測，能夠通過不同的振動頻率對風機運行時的機械故障進行快速判斷?？紤]到風機在運行過程中本身就具有較大的振動，因此機械振動傳感器在選擇的時候不僅需要具有較高的監(jiān)測精度，還需要具備雜波剔除和波形轉(zhuǎn)換功能。在綜合各類因素后選擇了GB20 型振動傳感器，其采用了壓電式振動檢測模式，具有尺寸小、安裝方便的特點。GB20傳感器的工作原理如圖3 所示[4]。

圖3 壓電式振動傳感器工作原理圖

（3）信息交互模塊

信息交互模塊采用了GSM-MODEM 型，能夠?qū)崿F(xiàn)不同位置風機間數(shù)據(jù)信息的傳輸和共享，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好，能夠保證在井下高電磁干擾環(huán)境下的使用可靠性需求。

（4）通信裝置

為了解決井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾嚴重的問題，通信裝置采用了有線和無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。有線通信部分為CAN 數(shù)據(jù)總線，采用了雙通信回路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂垢蓴_性；無線通信部分則是以4G 無線網(wǎng)絡(luò)為主，無線基站的設(shè)置距離需要根據(jù)井下環(huán)境來靈活確定，以保證信號穩(wěn)定性為原則。

3 風機運行故障診斷

礦用風機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的一個核心需求，是能夠及時對風機運行時的異常進行識別和預(yù)警，從而避免故障范圍的進一步擴大，把對通風系統(tǒng)運行安全的影響降低到最小，同時系統(tǒng)還需要具備風機運行狀態(tài)振動功能，根據(jù)診斷結(jié)果輸出風機“體檢”報告，便于工作人員能夠針對性地對風機進行維護，提高風機維護效率和有效性。

由于風機長期處在高惡劣環(huán)境中運行，受外界環(huán)境的影響較大，比如其他設(shè)備啟動時候的沖擊電流、綜采作業(yè)擾動等，會導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)對風機運行時的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的不穩(wěn)定性，而且由于井下電磁干擾現(xiàn)象的存在，會導(dǎo)致風機運行時的重要信號被干擾，因此為了提高風機運行故障診斷系統(tǒng)的可靠性，需要對各類監(jiān)測信號進行消噪處理[5]，提高數(shù)字信號的信噪比，提高對風機運行狀態(tài)監(jiān)測的準確性。該風機運行故障診斷流程如圖4 所示[6]。

由圖4 可知，該風機運行狀態(tài)故障診斷采用了閉環(huán)處理的控制模式[7]，通過傳感器來對風機的運行參數(shù)進行監(jiān)測，然后在信號處理裝置內(nèi)進行數(shù)據(jù)信息的處理，實現(xiàn)對風機運行情況的狀態(tài)識別。根據(jù)對風機運行參數(shù)的分析確定風機的故障類型、故障位置，然后進入到?jīng)Q策模式確定對風機運行狀態(tài)的調(diào)整要求，最后輸出決策干預(yù)信號，實現(xiàn)對風機運行狀態(tài)的調(diào)整。

圖4 風機運行狀態(tài)故障診斷系統(tǒng)邏輯示意圖

4 井下應(yīng)用情況

自2021 年7 月至2022 年1 月，無人監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，取消了井下3 人巡檢小組，風機在運行過程中能夠快速地確定異常參數(shù)并進行預(yù)警，實現(xiàn)了對風機運行異常的快速識別和定位、調(diào)整，將風機運行時的故障數(shù)量由最初的2.4 次/d，降低到目前的0.15 次/d，將故障率降低了93.4%。

5 結(jié)論

礦用軸流式風機無人監(jiān)測控制系統(tǒng)運行結(jié)果表明：

（1）風機運行無人值守的核心需求是能夠?qū)︼L機運行時的狀態(tài)進行準確判斷，當風機出現(xiàn)運行異常時，能夠第一時間進行故障分析、故障定位和故障預(yù)警；

（2）對各類監(jiān)測信號進行消噪處理，提高數(shù)字信號的信噪比，能夠提高對風機運行狀態(tài)監(jiān)測的準確性；

（3）該系統(tǒng)實現(xiàn)了風機運行的無人化控制，能夠?qū)L機運行時的故障數(shù)量降低93.7%，對提升礦井通風系統(tǒng)的運行可靠性具有十分重要的意義。