煤礦抽風機運行狀況監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)解析

1、煤礦抽風機運行狀況在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)技術方案1背景介紹煤炭被稱作能源的基石，我國煤炭資源總量位居世界之首，可采 儲量為2040億噸，約占世界總儲量的11.1%,是我國能源正常供應 及經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各動力行業(yè) 對能源的需求越來越大。隨之而來的是對煤炭資源的加大開采。 目前 我國的煤炭年產(chǎn)量已超過 30億噸，伴隨煤炭產(chǎn)量不斷提高的同時， 安全與生產(chǎn)之間的矛盾也更加尖銳，我國每年煤礦事故死亡總數(shù)達到 5000人以上，死亡率居高不下，給國民經(jīng)濟和人民財產(chǎn)造成了巨大 損失，煤礦的安全生產(chǎn)一直面臨比較嚴峻的形勢。影響礦井安全生產(chǎn)的因素很多，主要有瓦斯爆炸、頂板壓力和運

2、 輸事故，其中瓦斯爆炸尤為常見。瓦斯事故是一種瓦斯、大火、煤塵 混合型的爆炸災害，在我國煤礦安全事故所占比例已上升到 80%。最 近幾年雖然各個煤礦采用了很多安全措施來保證安全生產(chǎn)，可是瓦斯爆炸以及瓦斯突出事故不斷發(fā)生，造成人民生命財產(chǎn)的重大損失。根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局等部門共同發(fā)布的煤礦瓦斯治理與利用實 施意見要求，按標準配足“一通三防”技術人員、專職瓦斯檢測員、 安監(jiān)員、防突員。還要求要健全完善礦井通風、瓦斯抽采、防滅火、 綜合防塵、監(jiān)測監(jiān)控等系統(tǒng)和裝備，并確保系統(tǒng)裝備完好狀態(tài)，發(fā)揮 效用。另外，為了防治煤礦瓦斯煤塵事故，國家煤礦安全監(jiān)察局提出 了 “先抽后采、以風定產(chǎn)、監(jiān)測監(jiān)控”綜合治理瓦斯

3、災害十二字方針， 即指明了“預抽礦井瓦斯，增強通風能力，監(jiān)測井下空氣參數(shù)及監(jiān)控 井下設備運行”三種瓦斯治理方法。瓦斯事故的主要原因是礦井通風 不暢，瓦斯?jié)舛瘸瑯?。通風機是煤礦生產(chǎn)中的重要設備之一，它每天24小時不間斷運行，承擔著礦井呼吸系統(tǒng)的角色，是煤礦安全生產(chǎn) 的基礎。它的主要作用有：(1)供給井下人員充足的新鮮空氣，滿足人員 呼吸需要;(2)排除或沖淡井下有毒氣體和粉塵，保證工作人員不中毒、 保持空氣的清潔度；(3)稀釋、排除井下的熱量和水蒸氣，調節(jié)礦井的 氣候條件，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境；(4)提高礦井的抗災能力。如果礦井 通風機系統(tǒng)的運行狀況出現(xiàn)意外導致通風不暢， 將會使得巷道內的瓦 斯等

4、有害氣體積聚，可能導致瓦斯爆炸、火災、窒息等事故，給煤礦 井下工作人員的生命安全和整個礦業(yè)生產(chǎn)的正常運行帶來巨大的威 脅。實際生產(chǎn)表明，由于風機運行故障引起的瓦斯事故仍屢有發(fā)生， 究其原因在于沒有對風機設備的工作狀態(tài)進行良好的監(jiān)測監(jiān)控，并且缺乏有效的運行監(jiān)督方法。目前我國大部分煤礦只采取巡查的方式檢 查礦井風機的工作狀況，這樣存在很多弊端 ：不能實時監(jiān)測風機的運 行情況;耗費大量的人力和物力；容易發(fā)生工作人員舞弊的情況。在生產(chǎn)實踐中，常常發(fā)生風機未到檢修周期時，即發(fā)生偶發(fā)性故 障，不得不停機檢修，造成企業(yè)的停產(chǎn)損失，加大維修費用。此外， 還經(jīng)常遇到風機運行到維修周期時，仍然可以繼續(xù)運行，但限于

5、維修 制度的制約，必須停機，造成所謂的“過剩維修”，使本來還可以繼 續(xù)應用的機件報損，蒙受經(jīng)濟上的損失。一般生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)風 機在失衡狀態(tài)下運行，加大了軸承部件的動載荷，降低了軸承的使用 壽命。為了防止風機的突發(fā)事故、消除設備的過剩維修、減少風機的 動載荷，在風機運行過程中，使用在線設備，監(jiān)視風機的運行狀況， 定期分析其異常數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障時，及時進行故障診斷是必要的。在 故障診斷中，有一種簡易故障診斷，即運行監(jiān)測，它是在設備運行或 基本不拆卸設備的情況下，掌握設備的運行狀態(tài)，判定產(chǎn)生故障的部 位和原因，并預測預報設備未來運行狀態(tài)的技術。 在運行狀態(tài)監(jiān)測的 基礎上進行故障診斷，進一步分析識別

6、和判斷設備的狀態(tài)， 就可對其 劣化程度和故障性質作出判斷。這是防止事故和非計劃停機的有效措 施，也是設備維修的發(fā)展方向。所以對通風機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診 斷，既可以保證機組的安全性，又可以降低維修費用，具有重要的意 義。因此，實現(xiàn)對礦井風機工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障診斷是非常必 要的。通過建立一套切實可行、有效的礦井通風機運行狀態(tài)監(jiān)控和故 障診斷系統(tǒng)，以確保管理人員和操作員能夠得到及時準確的信息，便于進一步采取有效的措施，消除或減少風機運行故障，避免重大事故 發(fā)生。2系統(tǒng)的整體設計2.1系統(tǒng)結構根據(jù)系統(tǒng)的需求，采用網(wǎng)絡化結構進行設計，實現(xiàn)集中管理、分 散控制。整個系統(tǒng)可以分為三層：現(xiàn)場監(jiān)測層、本

7、地監(jiān)控層和遠程監(jiān) 控層，如圖1所示。圖1系統(tǒng)結構2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡結構現(xiàn)場監(jiān)測層包括兩臺監(jiān)測分站和通信接口，主要實現(xiàn)風機各項工 作參數(shù)的采集與顯示，安裝于風機附近。另外它還具有與本地監(jiān)控層 實時通信的功能。本地監(jiān)控層安裝于風機就地運行控制中心， 位于現(xiàn)場監(jiān)測層之上， 是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉中心。它以計算機界面的形式向操作員提供實 時數(shù)據(jù)顯示、報警和報表打印，并將數(shù)據(jù)傳給遠程監(jiān)控層；同時可接收遠程管理人員的命令以及將本地操作員的操作命令向現(xiàn)場監(jiān)測層 傳達。本地監(jiān)控層之上是遠程監(jiān)控層，安裝于煤礦管理調度辦公室，功 能與本地監(jiān)控層大致相同。管理人員可通過煤礦風機工作狀態(tài)在線監(jiān) 測系統(tǒng)軟件查詢被監(jiān)測的風機任

8、意時段的工作情況。2.3設計方案抽風機在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大部分組成：風機在線特性監(jiān)測分站、本地監(jiān)控計算機、遠程監(jiān)控計算機，如圖 2所示。兩套功能相同的監(jiān)測分站是監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，主要由處理器（單片機）和傳感器裝置構成。以微控制器為核心，通過各種傳感器以 及風速信號轉換器、負壓信號轉換器、溫濕度信號轉換器、分線盒主 要完成對風筒中通風溫度、濕度、風速、風壓和抽風機、電機軸溫等 參數(shù)的采集，加速度傳感器測量振動信號，分別安裝在兩臺輪流工作 的風機上，利用液晶顯示器進行數(shù)據(jù)的實時顯示。 監(jiān)測分站的微控制 器具有與計算機通信的功能，可以接收上位機發(fā)來的要數(shù)指令發(fā)送數(shù) 據(jù)也可以接收報警設置等其他指令

9、進行相應的操作。圖2抽風機在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖本地監(jiān)控計算機通過使用專門的軟件編制界面，實現(xiàn)上位機的數(shù) 據(jù)顯示和控制功能。計算機通過有線通信接口與兩個風機狀態(tài)監(jiān)測分 站進行數(shù)據(jù)通信，通信接口完成通信信號的轉換，保證計算機和單片 機數(shù)據(jù)通信正確。有線通信接口與計算機的串行端口和監(jiān)測分站通信 接插件采用電纜串接，采用 RS-485通信標準。煤礦管理調度中心的遠程計算機也是利用與本地監(jiān)控計算機類似 的專用界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實和控制。 遠程監(jiān)控計算機的串行端口通過 一個通信轉換接口后接上網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡與本地計算機實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù) 通信。2.4系統(tǒng)工作原理在煤礦風機附近安裝在線監(jiān)測分站，監(jiān)測分站處于全天24小時

10、自 動監(jiān)測狀態(tài)，通過傳感器以及信號轉換、調理電路將風量和負壓、風 機軸溫、電機軸溫和油溫、出風口溫度和濕度、風門狀態(tài)等參數(shù)轉換 為數(shù)字信號，由微控制器讀取、處理并就地顯示各參數(shù)。如某個參數(shù) 超過規(guī)定值，則進行超限聲光報警。在抽風機操作間配備一臺計算機作為就地監(jiān)測中心，由監(jiān)測分站 的微控制器通過通信接口與計算機聯(lián)系，將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至該計算 機上位機，由風機工作狀態(tài)在線監(jiān)測軟件進行分析處理并實時顯示。 監(jiān)測中心可以設定固定時間間隔，風機工作時監(jiān)測分站會定時向監(jiān)測 中心報告風機運行參數(shù)。上位機將風速數(shù)據(jù)換算為風量值，根據(jù)以往 負壓一風量工作曲線圖，當風壓、風量超過負壓 -風量正常運行范圍 或其他參

11、數(shù)有超限異常時進行報警。在管理人員調度辦公室設置配備 另一臺計算機作為遠程監(jiān)測中心，方便他們遠程了解風機的工作狀 態(tài)，本地監(jiān)控計算機接收到的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過無線的方式傳至遠 程上位機。一旦出現(xiàn)異常狀況，風機監(jiān)測器和監(jiān)測軟件立即發(fā)出報警 信號，直到風機恢復正常工作。計算機會保存監(jiān)測分站發(fā)來的數(shù)據(jù)信 息，操作人員或管理人員可通過煤礦風機工作狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件 查詢被監(jiān)測的風機任意時段的工作情況、歷史曲線以及打印報表。3監(jiān)測分站硬件選型與設計3.1硬件的功能要求本系統(tǒng)監(jiān)測分站主要完成傳感器信號的采集、處理、現(xiàn)場顯示、 報警以及與上位機通信等功能。與其功能相對應的下位機硬件組成主 要包括以下幾部分

12、：微處理器、傳感器測量電路、信號處理電路、電 源電路、通信電路和報警電路等。3.2硬件的結構設計礦井地面的主要通風機按規(guī)定一般均為二臺，其中一臺運行，一 臺作為備用。為避免由于倒換風機帶來的監(jiān)測儀器拆裝不便，本系統(tǒng)設計兩套功能相同的監(jiān)測分站分別安裝在兩臺風機上，按照風機的工 作順序決定對應的監(jiān)測分站的工作順序。監(jiān)測分站主要包括單片機、 風速傳感器、風速信號轉換器、負壓傳感器、風機負壓信號轉換器、 溫濕度信號轉換器、溫度傳感器、限位開關、溫濕度傳感器、顯示、 存儲及報警電路、分線盒、通信接口等組成，如圖 3所示。兩路振動傳感器溫濕度傳感器4路風速傳感器負壓傳感器8路溫度傳感器2路風門限位開關單片

13、機是整個分站的核心控制器件，它通過控制各個功能模塊來 實現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能。單片機通過傳感器檢測出各個參數(shù)在液晶顯示 器上顯示，超限進行聲光報警，電源電路負責為各個模塊供電。4主通風機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)軟件設計4.1故障在線監(jiān)測軟件設計通過抽風機參數(shù)檢測傳感器實現(xiàn)如溫度、壓力、振動等參數(shù)在線 監(jiān)測功能，能夠對風機運行狀態(tài)進行全面的監(jiān)測， 為維修管理提供科 學依據(jù)。4.2故障預警軟件設計礦用主抽風機故障預警軟件采用基于信息融合技術的故障預警模 型，該模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡與D-S證據(jù)理論相結合的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行局部信息融合，初步融合的結果作為證據(jù)理論的證據(jù)體， 再利用證據(jù)理論進行最后的全局

14、信息融合，實現(xiàn)對設備的故障預警。 礦用主通風機采集的信號包括振動、溫度、負壓、風量等。其中振動 理論與測量方法都比較成熟，另外據(jù)統(tǒng)計，機械故障90%可以從振動 測量中檢測出來，所以該軟件采用振動信號進行分析。 該軟件由數(shù)據(jù) 采集模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷模塊、證據(jù)理論融合模塊三大功能模塊組成， 運行于組態(tài)王開發(fā)的軟件平臺之上，通過實時獲取數(shù)據(jù)、分析故障、 實時返回結論來實現(xiàn)對礦用主通風機的故障預警，做到防患于未然。 故障預警軟件的組成原理圖如圖4所示。融合項透擇門DS決策規(guī)網(wǎng)路調媒調練信號采瘵模塊嚴空緒診斷模塊證據(jù)厘論It含模塊OPC圖4故障預警軟件的組成各個模塊的功能如下：數(shù)據(jù)采集模塊的功能是從組態(tài)

15、王 6.52開發(fā) 的軟件平臺實時獲取4路振動傳感器信號，對信號進行顯示、保存、 FFT運算、繪制時域曲線與頻譜曲線。神經(jīng)網(wǎng)絡診斷模塊的功能是對 BP網(wǎng)絡進行訓練，繪制誤差曲線，根據(jù)選擇的測點計算特征值和隸 屬度值。經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡的分析診斷，在數(shù)值輸出區(qū)給出各個故障可能 的概率值，同時在圖形輸出區(qū)以柱狀圖顯示，并可以按序號保存結果。 證據(jù)理論融合模塊的功能是通過BP網(wǎng)絡分析模塊的結果計算參數(shù)Bel和Ps,結合D-S證據(jù)理論的合并規(guī)則、決策規(guī)則進行融合分析， 結合給定的參數(shù)EER1和EER2凡，給出最終的預警結果，并將結論 返回監(jiān)測預警系統(tǒng)的軟件平臺。礦用主抽風機故障預警原理包括故障診斷和預警兩部分

16、。通過對 振動信號進行采集和預處理，提取各個頻率段內的最大幅值，計算其 隸屬度值，送入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡進行分析，輸出以概率形式給出診 斷結果，最大概率值對應的故障類型即為風機對應故障特征。此時完 成一路振動信號的故障診斷。為了準確的實現(xiàn)對礦用主通風機的故障 診斷，分別選擇4路振動信號按照上述的原理進行分析，由于測點的位置不同，頻譜會有所不同，得到的故障概率也會不同，最后利用 D-S證據(jù)理論對各組分析結果進行融合診斷，此時完成故障診斷功能。 由于頻域特征的出現(xiàn)超前于時域特征，即在風機出現(xiàn)嚴重故障前，特征頻率就會出現(xiàn)。因此通過定時的對礦用主抽風機進行上述的分析， 出現(xiàn)異常及時報警，即可實現(xiàn)預警功能

17、。故障預警軟件的詳細運行步驟如下：(1) 輸入功能參數(shù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡訓練參數(shù)、證據(jù)理論決策參數(shù)；(2) 訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡；(3) 啟動OPC連接組態(tài)王，4路振動信號進入故障預警軟件；(4) 選擇測點，對該測點信號進行 FFT運算，特征提取，可繪制時 域頻域曲線；(5) 計算隸屬度值送入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡，輸出局部診斷結論；(6) 根據(jù)局部結論計算BeVPsI并保存該數(shù)據(jù)：(7) 根據(jù)D-S融合公式進行融合運算，第一組局部診斷結論不需要融合，從第二組開始依次與上次的融合結果進一步融合；(8) 根據(jù)D-S決策規(guī)則輸出全局診斷結論（9）結論返回給組態(tài)王，最終完成一次故障預警分析 5系統(tǒng)組成及功能抽風機

18、在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析、管理 于一體，既有傳統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測如溫度、壓力、振動等參數(shù)監(jiān)測，又有 設備故障實時分析功能，能夠對風機運行狀態(tài)進行全面的監(jiān)測與診斷 分析，給出預警指示，為維修管理提供科學依據(jù)。如圖 5所示現(xiàn)場操作室*溫庫負屋等信號> 奚集工控箱口*振動髓購分析儀WEB/ffc據(jù)庫服務皓局域網(wǎng)絡Hub監(jiān)潴計算機 *-怎動椿幕器Inlernei防火$瓜司辦公樓颯度傳感器 壓力傳感器遠程監(jiān)測工作姑rw 企業(yè)監(jiān)測工柞站監(jiān)調、井折診斷工作站打印機設備負責人計算機設備工程師計算機/圖5抽風機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)構成系統(tǒng)功能:（1）在線監(jiān)測通風機的流量、風壓、振動、溫度等運行狀態(tài) 信息；（2）報警參數(shù)設置功能；（3）溫度、振動等關鍵參數(shù)趨勢分析與預警功能；（4）各種故障點記憶功能，以便于故障分析；（5）具有運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)顯示、歷史記錄查詢、工況參數(shù)列表顯示