楊立安

（晉能控股集團(tuán)晉中公司 山西省晉中市 030600）

煤礦風(fēng)機(jī)是礦井開采時(shí)的重要輔助設(shè)備，負(fù)責(zé)向井下各工作面提供新鮮的空氣，并將井下有害熱量和污濁空氣通過井上井下強(qiáng)迫式空氣交互排出井下，確保井下工作面正常安全的開采環(huán)境[1]。風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對維持礦井正常生產(chǎn)和井下工作安全具有重要意義，隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測檢修方法從傳統(tǒng)的人工檢修法逐漸向智能化檢修方法過渡，傳統(tǒng)的人工檢修方法實(shí)時(shí)性差，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，嚴(yán)重影響煤礦正常生產(chǎn)；目前的智能化風(fēng)機(jī)監(jiān)測檢修方法著重于直接監(jiān)測風(fēng)機(jī)設(shè)備的振動、壓力、溫度等參數(shù)異常，從而判斷風(fēng)機(jī)故障點(diǎn)，這種直接診斷風(fēng)機(jī)設(shè)備故障的方法應(yīng)用過程中誤差大、成本高，難以在煤礦開采中推廣[2]。在PLC 技術(shù)的基礎(chǔ)上，探究以問題表象為導(dǎo)向，逆推風(fēng)機(jī)故障類型，通過合理設(shè)置預(yù)警值和極限值的方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障類型，及時(shí)維修，具有一定的預(yù)測性、實(shí)時(shí)性和可培訓(xùn)性。

1 風(fēng)機(jī)故障監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

在目前的礦井開采中，礦井風(fēng)機(jī)檢修技術(shù)主要有兩種：一是傳統(tǒng)的人工檢測維修，二是通過檢測風(fēng)機(jī)的振動、壓力、溫度等參數(shù)，直接判斷風(fēng)機(jī)的故障點(diǎn)從而排除故障的直接診斷法，是一種直接法故障監(jiān)測系統(tǒng)。第一種傳統(tǒng)的人工檢測維修方法實(shí)時(shí)性差，不能及時(shí)快速的分析問題、解決問題，在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生問題后再由人工檢測解決問題，工作滯后嚴(yán)重；解決風(fēng)機(jī)故障更多的依靠檢修人員的經(jīng)驗(yàn)，可培訓(xùn)性差[3]。第二種檢修方法通過在風(fēng)機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部位布置傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)機(jī)的振動、壓力、溫度等參數(shù)，經(jīng)過控制中心數(shù)據(jù)處理后，直接判斷風(fēng)機(jī)的故障點(diǎn)，從而及時(shí)排除故障，這種檢修方法具有實(shí)時(shí)快速、靈活可培訓(xùn)的優(yōu)點(diǎn)，但是直接對風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測的過程中，監(jiān)測誤差較大，以風(fēng)機(jī)振動參數(shù)監(jiān)測為例，振動頻率與振動加速度傳感器監(jiān)測值的誤差關(guān)系如表1。

表1：振動監(jiān)測誤差

如表1所示，振動頻率越高，誤差越大，振動頻率為20Hz 和240Hz 時(shí)，振動加速度傳感器的誤差約為1.0%～1.8%，與振動實(shí)際值相比，振動監(jiān)測值偏大；振動頻率為900Hz 和1500Hz 時(shí)，振動加速度傳感器的誤差約為3.25%～4.0%，與振動實(shí)際值相比，振動監(jiān)測值偏小。因此以風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)作為監(jiān)測對象，監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)存在一定的誤動作的可能，當(dāng)監(jiān)測到風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)不正常時(shí)，井下通風(fēng)系統(tǒng)的工況可能是正常的，井下的工作環(huán)境可能仍然是安全可控的，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)無法準(zhǔn)確的描述井下通風(fēng)系統(tǒng)的狀況，僅依此判斷通風(fēng)系統(tǒng)存在安全問題是有失偏頗的，有時(shí)也會極大的影響礦井的正常生產(chǎn)。

而以井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全問題作為導(dǎo)向，逆推風(fēng)機(jī)的故障問題和故障點(diǎn)，可以避免因檢修系統(tǒng)誤動作或過動作導(dǎo)致井下無法正常生產(chǎn)的問題，同時(shí)，在通風(fēng)系統(tǒng)質(zhì)量薄弱點(diǎn)布置監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測重點(diǎn)明確，監(jiān)測設(shè)備簡單，可以極大的節(jié)省監(jiān)測檢修系統(tǒng)成本，是一種間接法的故障監(jiān)測方法。與直接法故障檢測系統(tǒng)相同，間接法故障檢測系統(tǒng)監(jiān)測到系統(tǒng)故障后，也需要在控制器上顯示故障點(diǎn)和故障內(nèi)容，進(jìn)而指導(dǎo)檢修人員及時(shí)檢修設(shè)備。與直接法檢修系統(tǒng)不同，間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)是開放的系統(tǒng)，間接法的故障庫可以根據(jù)專家的意見和現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷的補(bǔ)充完善。

2 間接法檢測維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

間接法檢測維修系統(tǒng)是以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)的，通過在通風(fēng)系統(tǒng)的故障薄弱點(diǎn)布置相應(yīng)的監(jiān)測器，實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給控制器進(jìn)行邏輯判斷，與PLC 監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，從控制模塊中輸出的信號不經(jīng)轉(zhuǎn)換器的作用從而發(fā)出動作指令，而是直接將判斷結(jié)果顯示在控制器上，指導(dǎo)作業(yè)人員精準(zhǔn)維修，其運(yùn)行機(jī)理如圖1。

圖1：檢修系統(tǒng)機(jī)理

如圖1所示，在通風(fēng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)布置故障監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測電信號在A/D 轉(zhuǎn)換器作用下準(zhǔn)換為數(shù)字信號傳輸給控制模塊，與控制模塊中故障庫進(jìn)行對比分析，輸出故障信息指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除設(shè)備故障，與PLC自動監(jiān)控不同的是，檢測維修系統(tǒng)不具有自動控制功能，控制模塊不直接發(fā)出動作指令控制設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作，而是將判斷后的故障信息顯示在控制模塊上指導(dǎo)檢修人員進(jìn)行精準(zhǔn)維修作業(yè)。控制模塊中預(yù)先輸入的邏輯判斷語句是基于通風(fēng)系統(tǒng)的故障信息，而不是風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)特征。控制模塊中故障庫的建立遵循如圖2 流程。

圖2：控制模塊作用過程

首先利用頭腦風(fēng)暴法或?qū)＜屹|(zhì)詢法，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，匯總影響通風(fēng)系統(tǒng)安全的風(fēng)機(jī)機(jī)故障類型，根據(jù)這些故障類型充分研究風(fēng)機(jī)故障引起的通風(fēng)系統(tǒng)安全隱患特征，分別組成風(fēng)機(jī)故障類型庫和通風(fēng)系統(tǒng)故障特征庫。在控制器中預(yù)先輸入對比算法，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)故障類型特征值，選定合理的預(yù)警值和安全限值，把實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)在控制器中與預(yù)警值和安全限值做對比，監(jiān)測值達(dá)到預(yù)警值時(shí)，檢測系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，通知檢修人員及時(shí)排除故障，監(jiān)測值達(dá)到安全限制時(shí)，檢測系統(tǒng)發(fā)出人員撤離井下的危急信號。間接法檢測維修系統(tǒng)通過監(jiān)測到的井下通風(fēng)系統(tǒng)超限參數(shù)，逆推通風(fēng)設(shè)備的故障特征，具有一定的預(yù)測性和開放性，間接法檢測維修系統(tǒng)的故障庫和故障特征庫是開放的，可以根據(jù)礦井的具體情況，設(shè)定各礦通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵故障類型和故障特征。

3 間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文分析，間接法檢測維修系統(tǒng)以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)，在輸出模塊對PLC 技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，排除了輸出模塊D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用，數(shù)據(jù)經(jīng)控制器對比后輸出的數(shù)字信號，不在經(jīng)轉(zhuǎn)換器作用轉(zhuǎn)換為電信號，而是直接把對比結(jié)果顯示在控制器上，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障。在間接法檢測維修系統(tǒng)建立過程中，系統(tǒng)建立的關(guān)鍵是全面準(zhǔn)確的故障庫和故障特征庫，根據(jù)井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行特征，故障庫內(nèi)應(yīng)包含影響通風(fēng)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵故障類型，故障特征庫應(yīng)能準(zhǔn)確逆推風(fēng)機(jī)故障類型。根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際，統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)主要故障類型和故障類型特征如表2。

表2：風(fēng)機(jī)故障專家?guī)?/p>

如表2所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，礦井間接法檢測維修系統(tǒng)庫中的關(guān)鍵故障類型、故障特征和其監(jiān)測參數(shù)有：

（1）葉輪粘附油污故障，其故障特征是風(fēng)機(jī)異常振動，葉輪粘附油污故障的監(jiān)測參數(shù)是風(fēng)機(jī)振動值。

（2）風(fēng)管風(fēng)筒連接口漏氣、接風(fēng)管松弛故障，其故障特征是風(fēng)管連接口漏氣，該故障的監(jiān)測參數(shù)是接風(fēng)口風(fēng)速。

（3）軸承安裝錯(cuò)誤、潤滑油劣化故障，其故障特征是風(fēng)機(jī)軸承釋放熱量超標(biāo)，該故障的監(jiān)測參數(shù)是軸承溫度。

（4）輸送帶磨損、不對稱故障，其故障特征是風(fēng)機(jī)跳動、輸送帶松弛，該故障的監(jiān)測參數(shù)是輸送帶長度。

（5）電機(jī)超負(fù)荷、輸入電壓過高故障，其故障特征是風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度超限，該故障的監(jiān)測參數(shù)是風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度。通過對上述故障類型的故障特征值的監(jiān)測逆推風(fēng)機(jī)故障類型，間接法檢測維修系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，在逆推風(fēng)機(jī)故障類型的過程中，可以根據(jù)故障類型的故障特征增加監(jiān)測參數(shù)，輔助判斷風(fēng)機(jī)的故障類型，避免風(fēng)機(jī)監(jiān)測維修系統(tǒng)的誤動作。

根據(jù)風(fēng)機(jī)故障的特征，在PLC 控制模塊中預(yù)先輸入合理的預(yù)警值和安全限制如表3。

表3：監(jiān)測預(yù)警值和安全限值設(shè)定

如表3所示，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)中風(fēng)機(jī)振動值達(dá)到預(yù)警值P1 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)中風(fēng)機(jī)振動值達(dá)到安全限值P2 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)接風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值V1時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)接風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值V2 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)監(jiān)測到軸承溫度達(dá)到預(yù)警值T1 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測到軸承溫度達(dá)到預(yù)警值T2 時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)監(jiān)測到輸送帶長度達(dá)到安全限值L1 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測到輸送帶長度達(dá)到安全限值L2 時(shí)，統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度達(dá)到預(yù)警值T3 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度達(dá)到預(yù)警值T4 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號，以確保井下作業(yè)人員安全。

4 間接法檢測維修系統(tǒng)的應(yīng)用

某礦7#煤層通風(fēng)方式采用兩翼對角抽出式，瓦斯涌出量為11m3/t，設(shè)計(jì)井下需風(fēng)量9.1m3/s，主運(yùn)輸大巷設(shè)計(jì)風(fēng)速5.2m/s，皮帶長度8m，使用間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)對該通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，在礦井地表主風(fēng)機(jī)機(jī)軸上安裝VIBER X5 型振動檢測分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測地表風(fēng)機(jī)振動值；在礦井接風(fēng)口布置礦用風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測接風(fēng)口風(fēng)速；在地表風(fēng)機(jī)軸承部位布置紅外測溫儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測地表風(fēng)機(jī)軸承溫度；在風(fēng)機(jī)輸送帶上平均布置4 各位置監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測輸送帶長度變化；在地表風(fēng)機(jī)電機(jī)處布置紅外測溫儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測地表風(fēng)機(jī)溫度。設(shè)定該礦間接法檢測維修系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)預(yù)警值和安全限值如表4。

表4：某礦通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測值設(shè)定

如表4所示，當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)機(jī)振動值達(dá)到預(yù)警值11.2mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)中風(fēng)機(jī)振動值達(dá)到安全限值18mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)接風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值5.5m/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)接風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值7m/s 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)監(jiān)測到軸承溫度達(dá)到預(yù)警值50℃時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測到軸承溫度達(dá)到預(yù)警值65℃時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)監(jiān)測到輸送帶長度達(dá)到預(yù)警值205mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)監(jiān)測到輸送帶長度達(dá)到安全限值210mm 時(shí)，統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。當(dāng)風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度達(dá)到預(yù)警值60mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除通風(fēng)系統(tǒng)故障；當(dāng)風(fēng)機(jī)電機(jī)溫度達(dá)到預(yù)警值75mm 時(shí)，風(fēng)機(jī)間接法監(jiān)測維修系統(tǒng)及時(shí)顯示故障類型和故障點(diǎn)，并發(fā)出撤離井下作業(yè)人員的緊急信號。

實(shí)踐表明，使用間接法智能監(jiān)測檢修系統(tǒng)對概況通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化改造后，以礦井生產(chǎn)時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)所表現(xiàn)出的問題作為導(dǎo)向，逆推通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備故障類型，極大提高了風(fēng)機(jī)故障檢修過程的準(zhǔn)確率，防止因系統(tǒng)誤動作導(dǎo)致礦井生產(chǎn)停止；通過在系統(tǒng)控制模塊中設(shè)置合理的預(yù)警值和報(bào)警值，在監(jiān)測參數(shù)達(dá)到報(bào)警值后，及時(shí)顯示故障地點(diǎn)和故障類型，指導(dǎo)檢修人員及時(shí)排除故障，具有一定的預(yù)測性。經(jīng)過間接法智能監(jiān)測維修系統(tǒng)的改造，該礦通風(fēng)系統(tǒng)誤動作幾率明顯降低，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，對通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備故障類型的診斷準(zhǔn)確及時(shí)，具有一定的社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 總結(jié)

（1）闡述了傳統(tǒng)人工檢修方法、現(xiàn)有直接法檢測維修系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，闡明了間接法智能監(jiān)測檢修系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

（2）闡述了間接法智能監(jiān)測檢修系統(tǒng)對PLC 技術(shù)的應(yīng)用機(jī)理和系統(tǒng)控制模塊中對比庫的建立過程，建立了風(fēng)機(jī)檢修系統(tǒng)的故障庫和故障特征庫。

（3）設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測檢修系統(tǒng)并闡述了其作用過程，經(jīng)實(shí)踐表明，具有一定的社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。