矿井通风机运行稳定性监测系统的应用分析

陈小建

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

0 引言

矿井通风系统作为煤矿的核心装备，主要用于向井下通入新鲜的空气，保证井下巷道内的空气流通，其运行的稳定性和可靠性直接决定了井下综采作业的安全性。多数矿井由于建立较早，因此矿井通风控制系统的控制相对落后，风机只能以定转速进行通风作业，而且风机无法实现对运转状态的自动监测，只能依靠巡检人员进行定期巡检和维护，保障矿井通风系统的运行稳定性，导致风机运行时的故障率高、能耗大、磨损严重，难以满足风机运行稳定性和经济性的需求[1]。

1 矿井通风机自动控制系统

矿井通风系统工作的核心是能够根据煤矿井下的空气情况来控制风机的运行转速，达到经济运行的需求，同时系统还需要能够自动检测风机运行状态是否正常，对异常信息进行自动定位和预警，提醒监控人员及时检查和维修，保证矿井通风系统的运行稳定性和可靠性。

结合矿井通风系统的运行需求，本文所提出的矿井通风自动控制系统采用了模块化的结构设计方式，将不同的模块进行集成，从而能够根据风机的运行需求进行拓展和改进，该通风系统整体结构如图1 所示[2]。

图1 矿井通风自动控制系统结构示意图

由图1 可知，该自动监控系统主要包括了信号采集模块、信号转换模块、人机交互模块及数据通信模块四个部分[3]。信号采集模块是该监控系统的基础，通过在通风机、电控柜、风门、变频器上设置各类监测传感器，实现了通风系统中各种设备运行状态的实时监测。

信号转换模块主要用于对各类监测信号进行模拟量和开关量转换，提高信号的饱和度，减少在传播过程中的干扰和失真。人机交互模块主要是显示矿井通风系统的运行状态，便于监控人员及时掌握各类信息，提高矿井通风系统的运行稳定性。数据通信模块主要用于保证系统数据在传输过程中的稳定性、可靠性、及时性。

2 通风系统自动控制逻辑

为了满足矿井通风系统集中调整的控制逻辑，风机的运行调控信息均通过人机交互模块满足运行控制需求，首先通过设置在煤矿井下的各类传感器对井下粉尘浓度、瓦斯含量、风量等进行监测，确定井下的通风需求，然后由控制中心发出调节控制指令给变频器，由变频器输出变频控制信号，实现对风机运行转速和风机运行功率的控制[4]。

为了保证对通风系统控制的精确性，系统采用了闭环反馈+PID 控制逻辑[5]，当风机根据变频器的信号调整后，控制中心再次调用井下的通风状态信息，对井下通风情况进行二次查询，将通风情况和理论调节需求进行对比，获取通风状态差值，然后再次发出修正信号，对矿井通风系统的运行情况进行反馈调节，提高通风系统调整的精确性。在对井下通风状态和调整量进行分析时采用了PID 控制逻辑，能够简化数据分析流程，提高系统反应的灵敏性和可靠性，该风机自动调整控制逻辑如图2 所示[6]。

图2 通风机自动调整控制逻辑示意图

3 通风机故障检测系统

根据对历史数据的分析，通风系统在运行时的故障主要包括了电气故障和机械故障两个方面。电气故障主要是指通风系统各类电压、电流、变频控制信号输入或者输出异常、信号中断等，对通风系统电气故障的排查主要是利用传感器监测信号阈值法，对各类电气控制信号设置一定的阈值，系统对监测信息实时进行对比，当超出正常阈值范围后系统就发出预警，并将故障特征和初步原因进行显示[7]。

通风系统的机械故障，主要是指风机在运行过程中因机械磨损、轴承偏位等导致的运行异常[8]，通过对不同情况下异常原因和表现的分析，风机运行的机械故障均会表现为风机在运动过程中的振动异常，因此可以在风机上设置振动传感器，对风机运行时的振动特性进行监测，当出现异常振动信息后系统进行自动报警和振动特征分析，初步确定振动源和故障类别，便于监测人员进行快速故障排除，避免故障范围进一步扩大，提高矿井通风系统的运行稳定性。不同故障特性下的风机振动频谱特性如图3 所示[9]。

图3 不同故障类别下的振动特性示意图

4 井下应用情况

以FBCDZ29/2×450 主通风机控制系统为研究对象，在优化前，风机为定转速运行模式，由于长期在高转速下运行，因此风机的能耗和磨损较大，导致风机在实际运行中经常出现各类故障。据统计，风机的平均故障数量达到了0.4 次/d，风机运行时的能耗也较高，难以满足通风系统稳定、经济的运行需求。在利用矿井通风机运行稳定性监测系统进行改造后，风机运行过程中的平均故障数量降低到了0.05 次/d，风机运行故障数量降低了88.4%，风机在运行时的转速由1 450 r/min 降低到了1 200 r/min，运行时的能耗平均降低了17.2%，显著地提升了矿井通风系统在运行过程中的经济性。矿井通风系统运行稳定性监测系统界面结构如图4 所示。

图4 通风系统稳定性监测系统界面示意图

5 结论

1）通风机运行状态自动监控系统主要包括了信号采集模块、信号转换模块、人机交互模块及数据通信模块四个部分；

2）采用闭环反馈+PID 控制逻辑能够简化数据分析流程，提高系统反应的灵敏性和可靠性；

3）通风机故障检测系统能够实现对矿井通风系统电气故障和机械故障的精确判断；

4）新的矿井通风监测系统能够将风机运行故障降低88.4%，将风机运行能耗降低17.2%，能够有效提升矿井通风系统的运行稳定性和可靠性。