煤礦抽風機運行狀況監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)

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(shù)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(yīng)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、頂板壓力和運輸事故，其中瓦

2、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(zāi)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(shù)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”綜合治理瓦斯災(zāi)害十二字方針，即指明了“預(yù)抽礦井

3、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(shè)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)舛瘸瑯恕ＭL機是煤礦生產(chǎn)中的重要設(shè)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(chǔ)。它的主要作用有:(l)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(diào)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(zāi)能力。如果礦井通風機系統(tǒng)的運行狀況出現(xiàn)意外導(dǎo)致通風不暢，將會使得巷道內(nèi)的瓦斯等有害氣體積聚，可能導(dǎo)致瓦斯爆炸、火災(zāi)、窒息等事故，給煤

4、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(shè)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(yīng)用

5、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(shè)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(shè)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(shè)備運行或基本不拆卸設(shè)備的情況下，掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，判定產(chǎn)生故障的部位和原因，并預(yù)測預(yù)報設(shè)備未來運行狀態(tài)的技術(shù)。在運行狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上進行故障診斷，進一步分析識別和判斷設(shè)備的狀態(tài)，就可對其劣化程度和故障性質(zhì)作出判斷。這是防止事故和非計劃停機的有效措施，也

6、是設(shè)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(shè)計2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的需求，采用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)進行設(shè)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、本地監(jiān)控層和遠程監(jiān)控層，如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測層包括兩臺監(jiān)測分站和通信接口，主要實

7、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(zhuǎn)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(diào)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)測的風機任意時段的工作情況。2.3設(shè)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

8、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(gòu)成。以微控制器為核心，通過各種傳感器以及風速信號轉(zhuǎn)換器、負壓信號轉(zhuǎn)換器、溫濕度信號轉(zhuǎn)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(shè)置等其他指令進行相應(yīng)的操作。圖2 抽風機在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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

9、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(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)換接口后接上網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)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小時自動監(jiān)測狀態(tài)，通過傳感器以及信號轉(zhuǎn)換、調(diào)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由微控制器讀取、處理并就

10、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(shè)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數(shù)有超限異常時進行報警。在管理人員調(diào)度辦公室設(shè)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。

11、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(fù)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(shè)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(yīng)的下位機硬件組成主要包括以下幾部分: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(jié)構(gòu)設(shè)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

12、拆裝不便，本系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)換器、負壓傳感器、風機負壓信號轉(zhuǎn)換器、溫濕度信號轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、限位開關(guān)、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。圖3 監(jiān)測分站結(jié)構(gòu)原理圖單片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(shè)計4.1故障在線監(jiān)測軟件設(shè)計 通過抽風機參數(shù)檢測傳感器實

13、現(xiàn)如溫度、壓力、振動等參數(shù)在線監(jiān)測功能，能夠?qū)︼L機運行狀態(tài)進行全面的監(jiān)測，為維修管理提供科學(xué)依據(jù)。4.2故障預(yù)警軟件設(shè)計礦用主抽風機故障預(yù)警軟件采用基于信息融合技術(shù)的故障預(yù)警模型，該模型采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與D-S證據(jù)理論相結(jié)合的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行局部信息融合，初步融合的結(jié)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信息融合，實現(xiàn)對設(shè)備的故障預(yù)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(luò)診斷模塊、證據(jù)理論融合模塊三大功能模塊組成

14、，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(jié)論來實現(xiàn)對礦用主通風機的故障預(yù)警，做到防患于未然。故障預(yù)警軟件的組成原理圖如圖4所示。圖 4 故障預(yù)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)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(luò)診斷模塊的功能是對BP網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)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(luò)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(jié)果。證據(jù)理論融合模塊的功能是通過BP網(wǎng)絡(luò)分析模塊的結(jié)果計

15、算參數(shù)Bel和Psl，結(jié)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(jié)合給定的參數(shù)EER1，和EER2凡，給出最終的預(yù)警結(jié)果，并將結(jié)論返回監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件平臺。礦用主抽風機故障預(yù)警原理包括故障診斷和預(yù)警兩部分。通過對振動信號進行采集和預(yù)處理，提取各個頻率段內(nèi)的最大幅值，計算其隸屬度值，送入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分析，輸出以概率形式給出診斷結(jié)果，最大概率值對應(yīng)的故障類型即為風機對應(yīng)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

16、組分析結(jié)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(yù)警功能。故障預(yù)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(luò)訓(xùn)練參數(shù)、證據(jù)理論決策參數(shù);(2)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);(3)啟動OPC連接組態(tài)王，4路振動信號進入故障預(yù)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(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸出局部診斷結(jié)論;(6)根據(jù)局部結(jié)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(jié)論不需要融合，從第二組開始依次與上次的融合結(jié)果進一步融合;(8)根據(jù)D-S決策規(guī)則輸出全局診斷結(jié)論;(9)結(jié)論返回給組態(tài)王，最終完成一次故障預(yù)警分析。5系統(tǒng)組成及功能抽風機在線監(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(shè)備故障實時分析功能，能夠?qū)︼L機運行狀態(tài)進行全面的監(jiān)測與診斷分析，給出預(yù)警指示，為維修管理提供科學(xué)依據(jù)。如圖5所示。圖5 抽風機在線監(jiān)測