煤矿通风机远程故障监测系统的设计分析

煤矿通风机远程故障监测系统的设计分析

宋成琳

山东天勤石油科技有限公司 山东东营 257300

摘要：在我国煤炭资源开采过程中，由于矿山地质水文条件较为复杂，使得煤矿经常出现一系列安全事故，对矿山人员及设备的安全造成了严重的影响。矿井风机作为矿井重要的通风设备，其一旦发生故障，会造成工作面瓦斯聚集，造成瓦斯事故，所以对矿井风机进行故障及时诊断是十分重要的。在进行风机的故障诊断时经常会对风机的温度、振动及转速等参数进行统计诊断，实现故障分析。本文通过对矿井通风机振动信息进行采集，利用软件对信息进行故障诊断和识别，为提升矿井风机的安全性及可靠性提供一定的依据，同时为实现矿井智能化作出贡献。

关键词：煤矿通风机;故障;监测系统

引言

由于掘进巷道风机运转周期长，风机管理维护不到位，导致风机在运行过程中经常出现故障，主要表现在：风机散热慢易烧毁电机、粉尘浓度大使风机故障率高、风机无法自动切换等，严重影响着掘进工作面的安全高效生产；对此，通风机通过技术研究，设计了一套风机远程故障监测系统，并在202巷掘进期间进行应用。

1煤矿通风机状态检测及故障诊断必要性

大型化、快速化和自动化是现代设备发展的趋势，使得对设备管理也越来越重要，目前企业普遍采用计算机辅助设备管理，并取得了较好的成效。风机作为一类流体机械设备，广泛用于众多国民经济支柱产业中，其主要功能是将机械能转化成被输送气体动能及压力能。作为煤矿生产的重要辅助设备，风机不但要适应不断扩大的机组容量需求，同时也要在经济性、可靠性及安全性方面达到要求。矿井主通风机是煤矿矿井的主要设备及安全生产核心设备，其运行状态及安全管理与煤矿企业安全生产关系重大。目前，煤矿多通过人工记录、控制数据的方式对主通风机实施监控。虽然许多煤矿矿井都安装了实时监控系统，但都局限于局部监控、管理。由于设计矿井时通常都是将矿井主通风机设置在较远的地域，信息不流畅且交通也不方便，因此对主通风机进行全面的、实时的监控管理存在一定的难度，使得许多矿井难以实现全面地监控管理。人工观测及汇报的难度大、间隔时间长且错误多，不能实现合理、实时的调度及管理，严重影响了煤矿安全生产，因此进行煤矿通风机远程安全监测系统的研究设计具有重大意义。

2煤矿通风机远程故障监测系统的设计分析

2.1风机降尘工作原理

1）当风机在工作期间进风流中粉尘质量浓度达到50mg/m3时，安装在风机进风口粉尘浓度传感器及时将收集数据传输至PLC控制柜，PLC接收信号后及时进行处理，并通过联锁开关及时打开泡沫抑尘装置电控液阀，此时抑尘装置静压风、水管路打开。2）在静压水及静压风的作用下，泡沫生产器内产生高浓度泡沫，并通过分配器将泡沫平均分配到各个螺旋喷头上，在压风作用下，喷头螺旋转动并喷出泡沫颗粒进行降尘。3）当进风流中粉尘质量浓度低于20mg/m3时，传感器再次将信号传递至PLC控制器，并进行信号处理后通过联锁开关关闭电控液阀，泡沫抑尘装置停止工作。

2.2振动故障信息处理

时频分析法主要是对非平稳时段信号频域和时域进行信息分布，从而得到时间与频率间的函数关系。在进行信号处理时，常见的分析为傅里叶变换和和傅里叶反交换，但由于其本质是整体对整体的交换，所以使得时间与频率在个体上是无法对应的，所以无法实现故障定位。为了得到准确的定位，时频分析法可选短时傅里叶变化（STFT）、Hilbert-Huang变化和Wigner-Ville分布。对信号进行EMD分解后进行希尔伯特变化，从而得出时间-频率-能量的关系，同时得出Hilbert边际谱。为了清楚直观地对HHT变化结果进行阐述，通过三维建模来展示HHT变化的情况，对收集到的振动信号进行HHT变换，经过HHT变化后可以将信号的频率进行有效分离。所以选定Hilbert-Huang时频法对风机振动故障进行识别及诊断。在进行振动收集过程中，由于噪音会对振动的收集有着一定的影响，所以需要对采煤机进行降噪处理，选定二代小波变换进行降噪，该方法的思路是通过整数变化进行小波重构和分解，达到小波变换的目的。风机的振动是非线性的且非平稳的，在实际工况下，信号的稳定性较好时，信号多为有用信号，此时多为低频信号且此时的小波系数也较低。噪音多为高频信号，且小波信号较多，所以对采集的信号进行分解，完成分解后进行重构，达到降噪的目的，具体降重的布置为：确定提升小波；信号小波分解；高频系数的阈值量化；小波重构。通过HHT特征提取方法对矿井风机的振动信号进行分析，采样的频率为1000Hz，采集后的振动信号经过小波半软降噪处理后信号的幅值会有一定的降低，且波动情况也有所改善。同时经过EEMD分解后,信号的IMF值振幅减小。根据风机的故障信息进行分析，发现不同故障类型下的频率也是不同的，所以不同故障能量也是不同的，经过振动信号分解后对不同频带内的能量进行检测，分析风机的故障及时进行预警。

2.3GPRS监控系统网络

基于GPRS网络构建的煤矿通风机远程安全监测系统具有4方面的优点：（1）永久在线。GPRSDTU开机即可自动在GPRS网络上进行附着，并建立连接数据中心的通信链路，对用户数据设备提供的数据信息进行实时收发，实时性极高。（2）按流量计费。虽然GPRSDTU一直处于在线的状态，但是仅在进行数据包接收、发送时才会依据传送流量收取费用，在没有传递时则不会收取费用。（3）组网简单、灵活、迅速。依靠Internet网络，GPRS无线DDN系统可实现全国性、随时随地构建专用网络，接入便利且成本低，也不需要担心通信链路维护工作。（4）高速传输。移动运营商网络设置是影响传输速率的关键因素，最高网络传输速度可达160kbps，目前能够提供的稳定数据传输速率为22～40kbps。利用AT命令预先设置好模块，发出GPGS拨号命令；由PPP协议服务器端程序对接收的申请拨号命令进行协商投信，并通过GPRS模块实施网络连接，分配无线链路资源；PPP协议服务器端通过IPCP协议将得到的IP地址分配至移动终端，这样移动终端就在串口与GPRS间建立传输通道，并获取自己的IP地址，实现与数据中心的通信功能。

2.4煤矿通风机监测系统设计方案

1）煤矿通风机。将通过煤矿通风机作为系统监测对象，实时为系统提供动态特性数据、信号等参数。2）测振传感器。主要将监测的机械振动信号转化为电信号，以便后面系统分析。3）信号调节系统。主要是对测振传感器监测的振动信号进行变换，通过数据处理，实现信号的放大，最终转变为模拟信号。4）数据采集系统。主要是将处理后的模拟信号转换成计算机可识别的数字信号。5）计算机监测平台。主要对所采集的数字信号通过噪声处理软件进行噪声处理和分析，去除无用信号，提取出有用信号，根据信号特点，实现对各部件振动原因的分析，利用小波神经网络等手段，实现对通风机故障的诊断。

结语

利用模糊神经网络对风机诊断系统进行设计，通过对风机的振动数据进行实际验证，确定了模糊神经网络风机诊断系统的可行性与可靠性，为矿山风机故障的识别及预警作出一定的贡献。

参考文献

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[2]王瑜敏，黄玉诚.高海拔矿井风机通风降效特征的研究[J].金属矿山，2020（2）：194-198.

[3]戴剑勇，王彬，邓先红.基于云模型理论的矿井风机故障率预测分析[J].矿业安全与环保，2019，46（2）：88-91.