劉文梅

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司，山西 太原 030052）

1 礦井概況

杜兒坪礦位于太原市，年生產(chǎn)能力為385 萬t，是一座大型煤礦。該礦曾經(jīng)是平硐開拓，后因上水平的煤層已經(jīng)開采枯竭，轉(zhuǎn)換為斜井開拓，開采2#、3#、8#煤層。井田多溝谷山梁，地形切割劇烈，大部分地區(qū)被森林覆蓋，屬于高瓦斯礦井、中等水文地質(zhì)類型，開采條件較為復(fù)雜。杜兒坪礦開采作業(yè)中采用兩臺軸流式風(fēng)機作為主通風(fēng)機，工作方式為交替運行方式，定期切換?，F(xiàn)在開采中主通風(fēng)機供風(fēng)量難以根據(jù)實際需求及時調(diào)節(jié)[1-2]，供風(fēng)量基本維持在較大狀態(tài)，設(shè)備功耗大，能源消耗大，且主通風(fēng)機的故障排查及維護保養(yǎng)也是人工定期進行，問題發(fā)現(xiàn)不及時，真正運行狀態(tài)也不能客觀反映，影響生產(chǎn)過程，造成經(jīng)濟損失，甚至發(fā)生瓦斯爆炸，危及生命。因此，研發(fā)設(shè)計主通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控其運行及診斷故障狀態(tài)十分必要[3-5]。

2 監(jiān)控方案分析

主通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要實時監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有風(fēng)壓、風(fēng)量、溫度、振動信號及電參量等，各類信號的采集采用具有礦用安全標(biāo)志的傳感器。除了實時監(jiān)控，系統(tǒng)應(yīng)同時具備簡單的控制功能，如能控制風(fēng)機、風(fēng)門等。此外，為了使系統(tǒng)在可控狀態(tài)下可靠運行，在通風(fēng)機出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)還應(yīng)能及時診斷故障并報警?？芍O(jiān)控系統(tǒng)是涵蓋了計算機控制、故障診斷等內(nèi)容的多功能監(jiān)控系統(tǒng)，對主通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計，需要結(jié)合通風(fēng)機工作原理、控制方式進行。

2.1 主通風(fēng)機運行方式

為合理設(shè)計主通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，首先對杜兒坪礦主通風(fēng)機類型、工作流程進行分析。礦井選用的主通風(fēng)機為軸流式風(fēng)機，其結(jié)構(gòu)主要包括電機、葉輪、主副風(fēng)門和擴散塔等[6-7]。工作過程為：空氣由進風(fēng)口軸向進入葉輪，經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)推動至導(dǎo)葉，導(dǎo)葉將空氣流向轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動并導(dǎo)入擴壓器，實現(xiàn)井下供風(fēng)[8-9]。

杜兒坪礦作為一座大型煤礦，供風(fēng)系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)時作業(yè)工作面的數(shù)量和所需風(fēng)量調(diào)節(jié)供風(fēng)量，但當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果不佳，供風(fēng)量基本維持在較大狀態(tài)。杜兒坪礦主通風(fēng)機供風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式采用的是變頻調(diào)節(jié)，實際上是通過變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，整個過程中，管網(wǎng)保持不變，電機轉(zhuǎn)速增加供風(fēng)量增加，電機轉(zhuǎn)速減小供風(fēng)量減少[10]。采用變頻調(diào)節(jié)，能達到高精度的特點，節(jié)能效果顯著[11]。該風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用的是HARSVERT系列高壓變頻器，采用U/f 恒定控制方式，其額定工作電壓為6 kV，頻率為0～50 Hz，最大輸入電壓10 kV。主通風(fēng)機電機額定工作電壓為6 kV，功率2800 kW，額定轉(zhuǎn)速745 r/min。風(fēng)機額定工作狀態(tài)下供風(fēng)量為6000 m3/min，變頻控制下電機可視作轉(zhuǎn)速n隨輸入頻率改變而改變的單變量環(huán)節(jié)，風(fēng)量數(shù)學(xué)模型為：

式中：Q為供風(fēng)量，m3/min；n為電機轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 主通風(fēng)機機械故障機理分析

生產(chǎn)作業(yè)過程中，主通風(fēng)機經(jīng)常發(fā)生各種形式的故障，較為常見的故障一般為機械故障或者電氣故障，其中機械故障頻率更高，占60%。因此文章著重分析杜兒坪礦主通風(fēng)機可能出現(xiàn)的機械故障[12]。

1）轉(zhuǎn)子不平衡

正常狀態(tài)下主通風(fēng)機電機軸承各方向受壓一致，軸承處于平衡狀態(tài)，不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡問題。但是由于軸承生產(chǎn)中用到的材料很難確保完全均勻，這就會導(dǎo)致后期運行中出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)子不平衡會導(dǎo)致運行中振動，隨著運行時間的增加，將會使軸承摩擦老化，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡的問題[13]。

2）轉(zhuǎn)子不對中

轉(zhuǎn)子不對中故障是指通風(fēng)機電機相鄰的兩個轉(zhuǎn)子的軸承中心線和軸心線發(fā)生傾斜或偏移。主通風(fēng)機運行過程中可能因為安裝不到位、機體下沉等因素引起電機相鄰兩轉(zhuǎn)子軸心線與軸承中心線發(fā)生傾斜或偏移，從而造成電機轉(zhuǎn)子不對中故障，包括軸線平行不對中、角度不對中以及組合不對中。

3）軸承故障

主通風(fēng)機運行中電機軸承容易發(fā)生故障，一般有軸承磨損、軸承擦傷、軸承點蝕，隨著使用時間延長，故障率也會增加[14-15]。軸承發(fā)生故障的原因多樣且復(fù)雜，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，又包括內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障等。電機軸承是主通風(fēng)機核心部件，發(fā)生故障后嚴重影響主通風(fēng)機安全運行。

綜上所述，主通風(fēng)機故障類型多種多樣，且導(dǎo)致這些故障的原因又復(fù)雜多樣，故障與故障原因之間關(guān)系也不明確，使得故障很難被分辨。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主通風(fēng)機出現(xiàn)故障后，故障的機械結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生非平穩(wěn)振動信號，這類信號主要是由于結(jié)構(gòu)之間碰撞和摩擦引發(fā)的，不同原因?qū)е碌牟煌瞧椒€(wěn)振動信號具有不同的特征頻率，例如轉(zhuǎn)子不平衡故障產(chǎn)生的非平穩(wěn)振動信號的特征頻率為基頻，同時伴有2 倍頻，轉(zhuǎn)子不對中導(dǎo)致的非平穩(wěn)振動信號的特征頻率為2 倍的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率，同時伴有高次諧波，軸承機械故障的非平穩(wěn)振動信號的特征頻率又有多種，可以根據(jù)特征頻率對主通風(fēng)機進行機械故障識別[16]。該系統(tǒng)的設(shè)計主要識別的故障及其對應(yīng)的特征頻率見表1。

表1 不同故障類型特征頻率表

表中：f、fi為特征頻率，Hz；z為滾動體個數(shù)，個；f0為工頻，Hz；d為滾動體直徑，mm；D為軸承滾道節(jié)距，mm；α為接觸角度，（°）。

2.3 主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)分析

監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)包括兩部分：一是運行狀態(tài)參數(shù)，如電機溫度、電參數(shù)、風(fēng)量等；二是故障參數(shù)，如振動信號。

2.3.1 電參數(shù)

電參數(shù)的測量監(jiān)控一般通過使用電壓、電流互感器及功率變送器獲得，功率因數(shù)計算如下：

式中：S為視在功率，kVA；P為有功功率，kW；Q為無功功率，kvar。

2.3.2 溫度

溫度是主通風(fēng)機是否故障的一個關(guān)鍵參考參數(shù)，溫度異常，表示主通風(fēng)機極有可能出現(xiàn)故障，主通風(fēng)機軸承溫度持續(xù)過高還會引起電機故障。溫度的監(jiān)測通過在電機內(nèi)部設(shè)備傳感器實現(xiàn)，由溫度傳感器測得溫度，再利用溫度巡檢儀上傳數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)設(shè)計對電機軸承溫度及三相定子溫度進行監(jiān)測。

2.3.3 風(fēng)量

風(fēng)量的測量利用負壓復(fù)合管檢測裝置實現(xiàn)，如圖1 所示，負壓值為P2+與P2-的差值。

圖1 風(fēng)量測量計算圖

風(fēng)量計算如下：計算電機內(nèi)外筒橫截面積A1、A2；取壓環(huán)1、2 處的動壓PD、Pd；實際流量Q實、理論流量Q理；動壓差ΔP；進而計算實際風(fēng)量Q實。

式中：A1、A2為電機內(nèi)、外筒橫截面積，mm2；PD、Pd為取壓環(huán)1、2 處的動壓，Pa；ΔP為取壓環(huán)1、2 處動壓差，Pa；Q實為風(fēng)機實際風(fēng)量，m3/min；Q理為風(fēng)機理論風(fēng)量，m3/min；D為電機內(nèi)筒直徑，mm；d為電機外筒直徑，mm；ρ為空氣密度，kg/m；v、v1、v2為空氣流速、取壓環(huán)1 處空氣流速、取壓環(huán)2 處空氣流速，m/s；K為修正系數(shù)。

2.3.4 振動信號

在風(fēng)機振動明顯處設(shè)置監(jiān)測點，安裝振動傳感器，對振動信號進行采集；在主通風(fēng)機驅(qū)動端（圖2中1、2 位置）、軸承座處（圖2 中3、4 位置）設(shè)置加速度傳感器，對風(fēng)機振動信號進行測量及傳輸。

圖2 振動傳感器安裝位置示意圖

3 主通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以杜兒坪礦為工程背景設(shè)計主通風(fēng)機運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計為集散控制系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合的形式，系統(tǒng)由遠程控制層、集中控制層及現(xiàn)場設(shè)備層構(gòu)成[17]。遠程控制層作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和信號下發(fā)，對整個通風(fēng)系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制；集中控制層由工控機和PLC 構(gòu)成，采集傳輸現(xiàn)場設(shè)備的各參數(shù)信號，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測控制，控制設(shè)備啟、停及調(diào)速，監(jiān)測主通風(fēng)機運行參數(shù)，分析監(jiān)測所得振動信號診斷是否發(fā)生機械故障；現(xiàn)場設(shè)備包括主通風(fēng)機、風(fēng)門電機、傳感器等。遠程控制層和集中控制層通過工業(yè)以太網(wǎng)進行信息交互。

3.2 軟、硬件設(shè)計

3.2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要是監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的搭建，選擇可編程控制器PLC 作為監(jiān)控系統(tǒng)控制器，主要完成運行參數(shù)的采集和運行狀態(tài)的控制。PLC 作為可編程控制器，由CPU、存儲器、電源及I/O 口等構(gòu)成，具有豐富的邏輯運算指令，通過I/O 口結(jié)合其內(nèi)部邏輯運算可實現(xiàn)各種工業(yè)環(huán)境控制?？刂葡到y(tǒng)的硬件核心即PLC，通過在現(xiàn)場設(shè)備關(guān)鍵位置設(shè)置各類傳感器實時采集監(jiān)測電參數(shù)、溫度、風(fēng)量、振動信號等運行參數(shù)，包括電參數(shù)模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等，由PLC 接收各運行參數(shù)并上傳至上位機，進而接受上位機的動作指令，與現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)通信實現(xiàn)對設(shè)備的控制。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計如圖3 所示。當(dāng)主通風(fēng)機運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，及時提示操作人員對系統(tǒng)故障進行維修。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.2.2 軟件設(shè)計

上位機主要進行監(jiān)控平臺和控制功能的設(shè)計，下位機主要是對PLC 控制流程進行設(shè)計，如主通風(fēng)機的啟停、供風(fēng)量控制及故障報警等，采用工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線結(jié)合的方式與下位機進行通信。

1）啟動設(shè)計

礦井主通風(fēng)機設(shè)計兩臺交替運行，可手動或自動控制。以1#主通風(fēng)機為例，啟動程序設(shè)計如圖4。

圖4 主通風(fēng)機啟動流程圖

2）風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)計

風(fēng)量調(diào)節(jié)采用模糊PID 控制算法利用PLC 控制器實現(xiàn)。首先進行數(shù)據(jù)采集，在每個采樣時間內(nèi)，計算給定風(fēng)量與實際風(fēng)量的偏差及其變化率，分別乘以對應(yīng)的量化因子實現(xiàn)模糊化，與模糊論域上下限值比較，超過的按上下限值計，再查表得到PID修正的模糊輸出量，乘以對應(yīng)的比例因子獲得精確輸出量，對PID 參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)，完成風(fēng)量調(diào)節(jié)的控制。

3）故障報警設(shè)計

故障報警程序設(shè)計如圖5 所示。由現(xiàn)場設(shè)備層傳感器采集各類數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機進行分析計算，判斷相關(guān)部位是否存在故障，若存在故障，控制臺對應(yīng)故障報警響起，工作人員根據(jù)提示進行檢查維修，并啟動應(yīng)急措施。

圖5 故障報警設(shè)計流程圖

4）上位機監(jiān)控界面設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包括用戶管理部分、數(shù)據(jù)管理部分和監(jiān)控顯示界面三部分組成。用戶管理部分即用戶登錄、權(quán)限設(shè)置、退出等內(nèi)容；數(shù)據(jù)管理部分即歷史數(shù)據(jù)查看、風(fēng)量變化曲線等內(nèi)容；監(jiān)控顯示界面是礦井主通風(fēng)機運行監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，包括系統(tǒng)的電參數(shù)、電機軸承、定子的溫度、風(fēng)量等實時信息的顯示、故障信息、風(fēng)量調(diào)節(jié)等內(nèi)容。

3.3 應(yīng)用效果

監(jiān)控系統(tǒng)完成設(shè)計后，組織開展聯(lián)檢，通過并取得聯(lián)檢報告后，在杜兒坪礦實際應(yīng)用所設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)投入后，主通風(fēng)機運行及維護的人員由8 名精簡至6 名，節(jié)約了人力投入；供風(fēng)量能更及時合理地得到調(diào)節(jié)；85%以上的故障信息能得到及時反饋與維修，且根據(jù)系統(tǒng)的診斷，故障類型也能得到明確的反饋，有效節(jié)約維修調(diào)試時間；各類數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控也能及時維護主通風(fēng)機的異常情況，有效避免不必要的故障出現(xiàn)。

4 結(jié)語

杜兒坪礦作為一座大型煤礦，地質(zhì)及開采條件較為復(fù)雜，礦井主通風(fēng)機運行采用變頻控制。為了解決開采中主通風(fēng)機運行性能不佳、維保困難的問題，詳細分析了主通風(fēng)機變頻控制下的運行方式，分析關(guān)鍵運行參數(shù)，在運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中基于反饋的實時運行參數(shù)可判斷并控制通風(fēng)機運行狀態(tài)。通過硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序兩部分完成監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計應(yīng)用，應(yīng)用中系統(tǒng)能做到實時準(zhǔn)確地監(jiān)測主通風(fēng)機的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)量供給，有效節(jié)省杜兒坪礦開采中主通風(fēng)機運行人力的投入，并且能做到超前提示，預(yù)防故障發(fā)生。