煤矿通风机故障诊断系统改进设计.pdf

收稿日期2019－10－29 煤矿通风机故障诊断系统改进设计 李建峰 （山西辰诚建设工程有限公司， 山西阳泉045000） 摘要降低矿用通风机的故障发生率，提高通风机故障诊断系统的综合性能，已成为当下研究的重要工作。因此，以通风机运行过程中主要故障 问题为基础，开展了通风机故障诊断系统的改进设计，并将其在晋城煤矿的通风机上进行了现场应用测试。测试结果表明，该故障诊断系统能对 通风机的各类运行参数进行实时检查和诊断，并及时发出相应的报警提示，较好地满足通风机运行过程的故障诊断需求。该研究对提高通风机故 障诊断性能和运行安全具有重要意义，也为后期进一步开展系统的优化改进研究提供了参考。 关键词煤矿；通风机；故障诊断系统 中图分类号TD441文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0231－03 Improvement Design of Fault Diagnosis System for Coal Mine Fans LI Jianfeng （Shanxi Chencheng Construction Engineering Co., Ltd., Yangquan, Shanxi 045000, China） AbstractTo reduce the failure rate of mine fan and improve the comprehensive perance of fan fault diagnosis system has become an important research work. Therefore, based on the main fault problems in the operation of the fan, the improved design of the fan fault diagnosis system was carried out, and its field application test was carried out on the fan of jincheng coal mine. The test results show that the fault diagnosis system can check and diagnose all kinds of operation parameters of the ventilator in real time, and send out corresponding alarm prompt in time, which can better meet the needs of fault diagnosis in the operation process of the ventilator. This study is of great significance to improve the perance of fan fault diagnosis and operation safety, and also provides a reference for further research on system optimization and improvement. Key wordscoal mine; ventilator; fault diagnosis system DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 082 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 李建峰. 煤矿通风机故障诊断系统改进设计［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 231-233. 0 引言 煤矿的大量开采加大了井下作业环境的恶劣程度。矿用 通风机作为井下改善空气质量的重要设备，保证其良好的运 行效果及通风性能，对保证井下作业安全至关重要。通风机 在井下作业过程中，经常出现整机振动剧烈、控制系统不稳 定、信号传输滞后等问题，现有的故障诊断系统难以较好地 保证通风机的安全运行[1-3]。因此，有必要设计开发通风机故 障诊断系统。 本文重点分析了通风机运行过程中的主要故障问题，从 硬件系统、软件系统方面，开展了通风机故障诊断系统的改 进研究，并将其在晋城煤矿的通风机上进行了现场应用测 试。结果表明，该故障诊断系统运行正常，功能齐全，能较 好地满足通风机运行过程的故障诊断需求，对提高通风机及 井下作业安全具有重要意义。 1 通风机常见故障 根据煤矿通风机使用工况的不同，将其分为离心式通风 机和轴流式通风机，但其结构基本相同，主要由旋转主轴、 叶轮、螺旋外壳、进气口、出气口、电机、导流片等部件组 成，主要负责向井下环境提供新鲜空气。煤矿通风机在使用 过程中，出现的故障类型主要包括转子故障、油膜故障、叶 片和机壳的振动故障、基座松动故障等[4-6]，下面就这些故障 问题进行分析。 （1）转子故障主要体现在转子的运转不稳定及振动加剧 等问题，导致其出现此现象的主要原因为转子在设计生产 过程中，由于存在一定的生产误差，造成了转子未成对称分 布，加上转子运动过程中与定子之间发生了较大程度的摩擦 现象，加大了转子磨损，导致其运动时的不稳定性及振动幅 度更加剧烈。转子的异常运动，最终会使通风机的通风量及 风压的检测信号出现误检测等问题。 （2）通风机轴承上的润滑油出现了油膜涡动故障，会导 致转子的转速发生加速或减速情况下的波动变化现象。转子 速度加快后，会使其整体出现失稳现象，最终加剧通风机的 振动幅度；而转子速度突然减小，导致信号的振幅未来得及 立即响应，随着转子转动的持续降低，信号才突然变为0，具 有响应滞后现象，严重影响通风机运行状态的实时监控问题。 （3）通风机从井下排出空气的同时，会夹杂着排出煤尘 及其他杂质，由此造成了通风机极可能发生喘振故障。喘振 现象的发生，会对通风机的轴承、转子、叶片等结构的正常 运行产生重大影响，也会加剧通风机整机的振动幅度。当 整机的振动达到一定程度时，则会使通风机发生灾难性的 事故。 2 硬件系统设计 结合上述对通风机运行过程中出现的常见故障分析，有 必要建立一套通风机故障诊断系统，实现对通风机运行状态 的实时检测，保障其设备的运行效率和运行安全[7-8]。因此对 该故障诊断系统的硬件系统进行了设计。 231 2.1 总体框架图 通风机运行时的主要性能参数包括通风机转速、运行功 率、工作电压、风压、设备振动幅度等，所建立的硬件系统 主要是实现对这些运行参数的实时检测。在这些信号中，振 动参数是通风机大部分故障发生后而造成了最终故障，对通 风机的运行安全至关重要。因此，所设计的硬件系统包括振 动传感器、信号调理系统、数据采集卡、工况软件平台等部 分。首先在通风机上设计一套振动传感器，主要实现对通风 机振动幅度进行信号检测，并将检测的振动信号转换为其他 电信号后，传输至信号调理系统中，完成对检测信号的滤波 和信号放大处理，通过数据采集卡，将放大后的信号进行D/A 和A/D转换，传输至数据处理中心后，采用小波神经网络技 术，对采集转换后的信号进行分析处理，将信号与设置阀值 进行对比判断。当超过阀值时，系统则发出相应的报警提示 及切断电源运行等处理措施，最终通过设计的工控平台进行 信号的实时显示和曲线绘制。由此，完成对通风机故障诊断系 统硬件系统的总体设计。硬件系统的结构框架图如图1所示。 2.2 数据采集设备匹配 故障诊断系统的数据采集系统主要负责快速获取传感器 设备检测的各类电信号，并进行信号转换后，传递至控制中 心进行后续处理。所设计的数据采集设备配备了多路开关、 保持器、放大器等部件。多路开关可对通风机进行多路信号 的采集和不同路径切换；保持器主要负责对转换前后的信号 进行采集，有效防止信号发生改变现象；放大器主要负责对 输入信号进行信号的放大或缩小，以保证信号能满足转换需 求。另外，数据采集卡是整个采集系统的核心。通过对采集 卡的匹配选型，选用了PCI-6259型采集卡，该采集卡具有采 样频率和精度高、信号采样稳定等优点，比一般采集具有更 高的分辨率，其主要性能特点如表1所示。 3 软件系统设计 软件系统是通风机故障诊断系统的重要系统，其系统结 构主要包括登录模块程序、信号采集模块程序、信号预处理 模块程序、网络模块程序、故障诊断模块程序、报警模块程 序等部分。所设计的软件系统依托于VS2010平台进行开发， 保证其能更好地满足通风机故障诊断要求。下面就软件系统 的典型部分进行设计分析。 3.1 信号采集模块程序 结合上述分析，所设计的信号采集卡采用了PCI-6259型 采集卡，是一款多路低耗能的采集卡，具有较高的采集精度 和采集功能。因此，在信号采集模块程序设计过程中，设计 了多种API功能，并在程序编写过程中，添加了ADSAPI32. DIL动态链接文件，可将控制模块中信号缓存在缓冲区。同 时，通过设计PCI程序，可将PCI总线中的振动信号传输至工 控中心，并进行快速保存，也可通过此程序，输入信号的大 小范围进行快速调节。另外，该模块中所有程序均采用了 MATLAB软件进行程序编写，实现了该程序代码与多款软件 的联合编写。由此，完成了信号采集模块程序的设计。 3.2 报警模块 报警模块是通风机的故障诊断系统软件系统的关键组成 部分。因此，在对其进行设计过程中，采用了小波神经网络 技术，利用BP网络，通过MATLAB中的API模块，对报警模 块进行了设计。通过此过程，可将处理分析后的通风机转 速、振动情况、运行功率等参数与设置的阈值进行对比判 断，但检测的信号参数超过设计阀值时，可通过该报警模块 发出相应的报警提示，并通过设计的人机显示界面进行故障 问题的实时显示。其中，在该报警模块中，设计了小波神经 网络技术分析、特征提取、故障报警等功能，其报警功能界 面如图2所示。由此，实现对通风机运行故障的报警提示。 4 现场测试效果分析 结合上述建立的通风机故障诊断系统，为进一步验证其 系统性能，将其在晋城煤矿中的通风机中进行了接近1个月的 现场测试研究，主要将该系统与井下通风机进行系统连接。 现场测试表明，该系统运行正常，能对通风机的运行功率、 运行转速、振动情况、工作电压、工作温度等参数进行实时 信号采集与检测，并将这些信号与设置的阀值进行对比判 断。根据判断结果，故障诊断系统发出相应的报警提示，并 在显示界面中对通风机的故障类型及程度进行实时显示。通 过该故障诊断系统的应用，实现了对通风机约15种运行故障 类型的诊断检测，有效保证了通风机的运行效率和运行安 全，并得到了现场作业人员的一致好评。 5 结束语 提高矿用通风机的运行效率及保证其作业安全，已成为 当下保障井下作业安全的重要基础。因此，分析了通风机运 行过程中的主要故障问题，开展了通风机故障诊断系统的改 进研究，并将其在晋城煤矿的通风机上进行了现场应用测 试。结果表明，该故障诊断系统能对通风机的各类运行参数 进行实时检查和诊断，针对出现的故障问题，及时发出相应 图1故障诊断系统硬件系统工作流程图 名称 采集速度 模拟量输出 I/O接口 参数 1.25 MS/s 16路 48路 名称 高速模拟量输入通道 输入阻抗 计数器/定时器 参数 32路 21 GΩ 80 MHz 表1数据采集卡主要性能参数 图2通风机故障报警界面图 2020年05月机 电 工 程 技 术第49卷第05期 232 的报警提示，并得到人员的一致认可。该故障诊断系统的应 用，有效保证了通风机的运行效果，对提高通风机及井下作 业安全具有重要意义。 参考文献 [1] 董明洪.矿用主通风机远程监测及故障诊断系统研究[J].煤矿 机械,2018,3907161-162. [2] 原晓丹. 矿用主风机在线监测与故障诊断[D].西安西安科技 大学,2018. [3] 赵鹰. 矿用通风机故障预警系统的研究[D].西安西安科技大 学,2018. [4] 王浩宇.基于数据的煤矿主通风机故障诊断方法研究[D].徐 州中国矿业大学,2017. [5] 牛利君.浅析矿用通风机状态监测与故障诊断[J].机电工程技 术,2015,4408234-235. [6] 刘浩.煤矿通风机故障原因与质量维修策略[J].中国石油和化 工标准与质量,2019,3917148-149. [7] 李昊.煤矿通风机安装与故障检修工作的探讨[J].花炮科技与 市场,201903248. [8] 高瑞凤.煤矿通风机远程故障监测系统设计应用[J].机械管理 开发,2019,3407250-251. 作者简介李建峰（1984-） ，男，山西运城人，工程师，研 究领域为机械设计、安装技术。（编辑 刘诗寒） 入带电回路，输出电压UaUA N0/（N1N2） ；低档时，K2-2接 通，N1段、N2段、N3段串联进入带电回路，输出电压UaUA N0/（N1N2N3） 。 2 智能有载调压变压器的实现 在台区所有用户中， 选取有代表性的用户进行 采集电压数据，根据各模 块的功能，设计出智能有 载调压变压器如图 4 所 示。根据设计图纸，研制 出的配电智能有载调压变 压器如图5所示。 3 智能有载调压变压器的应用效果 该智能有载调压变压器研制成功后，于2019年11月底在 某地区配网台区挂网运行，运行数据如图6、图7所示。 图6为该台区在智能有载调压变压器安装前后的运行电 压数据，数据表明，使用智能有载调压变压器前，该台区电 压合格率不高，更换为智能有载调压变压器运行后，连续几 个月台区首段电压合格率均为100。 图7为该台区在智能有载调压变压器运行后用户端检测 到的电压数据（之前因技术手段不足，未能实时监测用户端 电压数据） ，数据表明，用户端的电压数据均在合格的范畴。 4 结束语 本文针对当前存在的用户端电压与台区首端电压难以同 时合格的问题，以满足用户用电体验为首要目标，综合考虑 台区首端电压质量，研制了一种智能配电有载调压变压器。 该变压器在获取了用户端的电压数据后，与台区首端电压数 据一起形成综合判据，然后根据判断结果，在不停电的情况 下，自动调整配变分接头，实现了在满足用户用电需求的情 况下，台区首端电压也合格的目标。该变压器还可以在原有 普通油浸式变压器的基础上进行改造，节约投资成本。 参考文献 [1] 周蔚,姚建华,吴宇红. 农村低压配网首末端电压质量治理[J]. 农村电气化,20131114-15. [2] 李珊,康积涛,崔军飞,等.有载调压变压器对电压稳定的影响 研究[J].变压器,2012,49433-37. [3] 陈津,施杰.浅析末端低电压治理技术[C].陕西省电网节能与 电能质量技术学会,2017. [4] 刘盼盼,王笑凯,刘恺,等.变压器有载调压技术发展浅析[J].中 国电业,20190693. [5] 胡正奎,张 俊,陈 进. 10kV宽幅有载调压变压器分析与应用 [C]. 陕西省电网节能与电能质量技术学会,2017. [6] 徐腾,刘瑶章,杨刚,等.基于有载调压开关的遥控调档机构技 术的探讨[J].装备维修技术,20190436. [7] 廉莉莉.免维护有载调压配变在配网中的发展和应用[J].工程 技术,20192729-30. [8] 司丞坤,高金峰.有载调压变压器对电力系统电压稳定的影 响分析[J].电测与仪表,2015,5220113-114. [9] 陈 松.照明变压器有载自动调压研究[J].科技与创新,2019 23122-123. 第一作者简介廖宇峰（1977-） ，男，硕士，工程师，研究 领域为配网运行及工程管理，已发表论文5篇。 （编辑 王智圣） 图5智能有载调压变压器实物图 图6智能有载调压变压器台区首段运行电压数据 图7智能有载调压变压器用户端电压数据 （上接第119页） 􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂 李建峰煤矿通风机故障诊断系统改进设计 233