薛军军
（山西兴县华润联盛车家庄煤业有限公司，山西 兴县 033600）
为了保证煤矿通风系统的正常运行，按照煤矿安全管理要求，需要对煤矿地面主通风机关键设备进行定期巡检，以及时发现潜在故障，并进行排除，从而避免引发煤矿安全事故［1］。但传统的矿井地面主通风机故障检测主要是通过采用人工完成，利用人的视觉、听觉和嗅觉等对通风机进行故障检测，劳动强度大、巡检效率低，检测和识别精度低，容易引起误判，加之煤矿地面主通风机环境比较恶劣，直接影响到巡检人员的安全［2］。随着煤矿对安全性要求的不断提高，对煤矿地面主通风机故障进行智能化快速检精准检测技术进行相关研究显得尤为重要［3］。
为此，通过对煤矿主通风机常见故障类型和故障特征进行分析，利用传感器检测技术与无线通讯模块将采集到的信号上传到上位机监控系统，并由软件系统对矿井主通风机故障进行检测和诊断分析，实现对矿井主通风机各项参数的动态在线实时检测，有效避免矿井主通风机故障，保证煤矿通风系统的安全可靠运行，对保证煤矿安全生产具有重要的意义和应用价值。
1.1 矿井通风系统结构组成
（1）地面风机设备。风机是实现矿井通风的关键设备，是煤矿通风系统中的动力设备，是保证煤矿通风系统安全性和有效性的执行设备。
（2）高压供电系统。矿井供电系统是保证通风设备正常运转的关键辅助系统，并且也是矿井通风系统的动力源。
（3）风门等基础设施［4］。
1.2 矿井通风系统常见故障类型分析
通过对矿井通风系统关键装置进行分析，得出设备常见故障和分类如下［5］：
（1）电动机的故障。电动机常见故障主要有以下几种：转子故障、轴承故障、绕组故障。①转子故障是危害最大的故障类型，当转子不动时将会导致电动机发热烧坏电机。②轴承故障是常见的故障类型，当轴承润滑不充分时轴承的磨损较严重容易造成轴承故障，从而引起局部发热。③电动机绕组故障，采集电动机绕组的温度变化可以得出电动机的运行状况。
（2）风机的故障。常见的故障类型有：①振动故障。当风机的构件发生损坏时将会引起严重的振动，叶轮发生不平衡的振动，轴承的偏心振动等。②振动引起的噪声，通过检测振动噪声从而可以判断轴承故障和转子的运行状态。③构件的弯曲松动，当载荷过大时将会引起叶轮的主轴弯曲变形，振动引起螺栓的松动等。
（3）风门及辅助装置故障。在通风系统中，由于风门受天气或灰尘影响导致开闭较为困难，为此就需要使用传感监测装置和信号采集装置，识别故障信号进行分析。
综上所述，对矿井主通风机进行实时在线检测，需要在风机上布置温度传感器和振动传感器，并对振动烈度进行智能分析，可以保证对通风机的全方位信号采集与数据传输。
矿用主通风机故障在线检测与诊断系统融合了传感器检测技术、网络通讯技术、故障智能诊断系统软件技术等，实现对矿井主通风机关键位置点的数据自动采集、数据的发送和数据的分析，最终实现对1号风机和2号风机的参数识别与检测，总体技术方案原理如图1所示。
图1 矿井通风系统远程故障诊断系统基本结构
从上图1中可知，通过采用振动传感器、霍尔
传感器对煤矿1号风机和2号风机的有关信号进行采集，并将采集到的数据传输到振动监控仪中。
振动传感器的作用是用于采集风机的振动信号，
霍尔传感器用于对风机的运行电压和电流信号，由温度传感器检测风机的温度参数等。振动传感器接收到的振动信号由振动烈度监控仪对信号进行对比处理，随后发送到数据采集卡经故障诊断软件系统对故障类型进行分析，并发送到远程监控端，对主通风机进行远程监控，从而避免人员近距离靠近主通风机发生危险，减少人员参与，降低工人的劳动强度。
3.1 硬件系统选型
矿井主通风系统远程故障诊断系统硬件部分主要由数据采集模块、信号分析和处理模块组成，选用CD-6型无源磁电式振动速度传感器，频响范围为5～1000 Hz，选用CHE12-10NA-H71型霍尔传感器，采用ZT6302L型振动监测仪作为信号调理设备。选用ART-PCI8622型数据采集卡，实现250 KS/s采样的速率。各个振动传感器由三芯屏蔽信号线与D37型转接端子进行连接，随后通过RS232总线接口与采集卡进行联系。
3.2 软件系统设计
矿井主通风机故障在线诊断系统软件部分是整个系统诊断的核心，通过硬件系统对振动信号等进行数据采集，随后通过软件系统进行故障诊断和分析，对故障特征进行高清在线监控。软件系统执行数据采集后的处理和分析过程，是整个在线检测系统的大脑。数据采集与分析算法流程如图2所示。
采用数据采集卡对信号进行采集，判断设备的运行状态，通过初始化采集卡和数据的转换，将物理信号转变为可以识别的电信号，通过对状态信息进行判断，从而得出设备的参数情况。PIC8622采集卡控制模块读取采集卡的设置参量，根据状态参量进行控制。此外，数据采集卡不仅能完成数据的采集，而且对数据进行处理和重构，最终系统的输出数据能够满足监测和故障诊断的要求。
图2 数据采集与分析算法流程
为了验证在线检测方案的合理性和正确性，在山西兴县华润联盛车家庄煤业有限公司进行现场布置和安装应用，并对矿井主通风机故障检测效果和经济效益进行计算，在线检测系统采集通风系统中关键机电设备连接位置，包括轴承、定子、电压、电流和功率等信息，当外部参数改变时实时显示状态参数。现场故障检测与诊断结果如表1所示。
表1 矿井通风机故障在线检测历史数据
通过导出某短时间的故障诊断历史记录，可以发现提出的故障诊断系统识别精度较高，可以提前预警事故的发生。本次设计的这套矿井主通风系统故障在线检测系统的响应时间为0.56s，误判率≤0.28%，节省人力8～12人，每年节省企业经济成本100万元左右，为企业带来良好的经济效益。
本次设计的矿井主通风机在线检测与诊断系统，经现场应用表明当通风机设备发生故障时可以实时报警，并准确采集数据信息，对故障识别精度较高，并且能够诊断出故障的类型为后期的维修提供参考。为企业带来良好的经济效益和社会效益。
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