矿用通风机在线监控与故障诊断系统的应用

武建平

（南煤集团南庄分公司， 山西 阳泉 045000）

引言

矿井主通风机是煤矿通风安全的重点监控设备，主通风机的正常运行与否关系到煤矿的安全生产。主通风机在线监测系统的建立与故障诊断系统完善是关系到通风设备安全运行、矿井生产安全的关键，也是矿井实现自动化设备控制的主要步骤。鉴于此，南庄分公司研究应用了通风机在线监控及自动化故障诊断系统，用于实现对风机运行工况的实施监控，并对监测数据进行自动化集成分析，实现风机故障的实时显示，保障了主通风机的安全运行和矿井的安全生产。

1 系统组成部分

通风机在线监控与故障诊断系统的主要组成部分包括数据监测集控系统、传感器感应元件、显示器组件（控制显示机和数据处理软件）三大部分[1-2]。

1）系统的核心组成部分为数据监测集控系统，以300（AB 1769）系列PLC 控制组件作为主要组成元件，所有模拟量信号采用隔离器进行处理再进入PLC模块。

2）传感器感应元件包括电机电量参数采集元件、风压测量元件、振动传感元件。电机电量参数采用国内知名品牌多功能电量仪表采集，配备PROFIBUS DP 总线接口；风压测量元件采用数字智能化电容式差压方式进行检测；振动传感元件采用一体式振动数据变送器。

3）显示器组件。配备大容量机箱电源、22 英寸宽屏液晶显示器、惠普A4 彩色打印机，实现数据的实时显示和打印。

2 系统特点和主要技术参数

系统的组成是以PLC 作为核心控制元件，传感器信号（包括温度信号、风量风压信号、风机振动信号等）均由PLC 模块进行自动化控制，传感器元件具有防尘抗振效果好、抗干扰能力强、扩展方便的特点。风机运行工况参数（包括电流、电压、功率等）通过多功能参数仪表进行精确测量，通过RS485 即时传输，并在显示屏显示。系统主要技术参数如表1 所示。

3 系统主要功能

3.1 基本功能

系统具有数据和状态监控、远程控制、无人值守、不停风倒机、故障诊断、信息查询、数据和报表管理、数据远程传输八大功能。主要包括以下内容：

1）实时监测主通风机全压、静压、全压效率、静压效率、风量、出口风速、垂直振动、水平振动。

2）实时监测电机参数：包括三相电流值、电压值、功率因数、每相绕组温度、轴承两端温度[3]。

3）实时监测主通风机配套电控设备的运行状态、配套蝶阀或者风门的开、关信号。

4）主通风机运行状态监测，实时监测内容包括开停机信号、风机正反转信号、风机故障信号，根据监测数据自动化实现主通风机正常状态下启停、反风的控制，实现在不停风状态下完成倒机功能。

5）根据型号实现控制主通风机配套电控合分闸、配套蝶阀或者风门开关阀、变频器远程设定频率。

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6）根据型号实现无人值守功能（一键式倒换风机、故障自动倒机、停机自动倒机、电源自动切换）。

7）根据型号实现故障诊断功能（集数据采集、状态监测、实时报警、振动分析、综合评价、专家诊断、大数据预警、报表统计，向最终用户及时提供设备当前的健康状况及运行趋势等）。

8）可扩充接口，测量入口空气温度、湿度、瓦斯浓度、CO 浓度等其他参数。

9）实时依据风机运行工况实现报警信息的即时显示、历史报警信息自动存储，通过历史报警窗口可进行查阅、浏览和打印。自动记录通风机的监测参数，自动生成报表，提供历史数据的查询、打印功能[4-5]。

10）配备工业以太网交换机，预留多个太网接口，方便数据远程通信。

3.2 重点功能并举例说明

3.2.1 数据的实时监控和显示功能

该系统实现动画模拟风机运行工况和通风构筑物的启闭状态，并把监测数据自动化汇总并形成工况运行参数曲线图（包括风压- 时间曲线图、温度- 风压曲线图、功率- 时间曲线图、流量- 风压曲线图等），例如在线监控系统显示的1 号风机的风压实时曲线如图1 所示。通过分析曲线的的状态趋势，可以明确地判断风机运行工况和状态。各种监测数据（包括风机电流电压、风压风量风速、轴承温度、振动参数等）及时存储2 年，该存储数据可以根据需要生成数据报表或者运行曲线图，用于指导强化通风机的技术管理工作[6-7]。

图1 1 号风机的风压实时曲线图

3.2.2 事故报警及追忆功能

风机运行出现故障时，该系统通过自动分析振动、温度、电流等相关参数进行预警，并在界面进行即时显示和提醒。系统自动及时记录故障的日期、维修时间等技术参数，故障数据备存时间为5 年，出现故障后可直接调用类似故障处理方式、处理时间等记录，为风机故障的快速排除提供依据[8]。

3.2.3 远程控制功能

控制主通风机供电系统柜的正常合闸、分闸，变频器的远程频率给定，电动风门或者蝶阀的开阀关阀控制，风机的启停止、矿井需返风时的自动倒转反风。带有无人值守型号系统，实现无人值守状态下矿井主通风机的自动控制功能。有值班人员时可以在控制中心点击相关控制按钮，按照操作规程操作，控制对应设备动作，无人值守时，通过设置相应的自动控制功能，实现风机在无人值守状态下，出现风机故障时，风机能自动进行切换，保证矿井的通风的连续性、安全性。

4 系统常见故障及维修措施

4.1 电压、电流显示故障

风机的电压是把电控柜内电压通过多功能电量参数仪以RS485 总线传输到监测柜PLC 上。该仪表可以直接显示三相电压电流值。

如监测主画面出现电压、电流显示故障，多是由于电机的单相电压与该相电流不同相所致，需检查确认监测柜门上“1 号电机参数”显示电压或者电流数据前是否有“-”，有“-”则需分别检查调整电机的三相电压与三相电流的相序，当调整相序一致时，电压、电流显示故障自动消失[9]。

4.2 振动显示故障

振动传感器同于采集电机或者风机振动频率信号，并通过监测柜TD2 端子输出检测信号，经由8 号PLC 模块输出DC 4～20 mA 信号。

如出现振动显示故障，多是由于传感器是松动或线路故障所致。检查步骤为：首先重点检查振动传感器是否有松动，若无松动可基本确定是线路故障；其次，检查线路是否浸水或者短路故障；若是该两项检查均为出现问题，则是由于传感器和变送器自身故障，及时更换传感器进行测验。

4.3 风压风量显示故障

风机风压数据通过差压变送器形成检测信号，输出的故障信号进入8 号PLC 控制模块。差压变送器的输入压力0～5 kPa，输出信号DC 4～20 mA，通常安装在监测柜的底部。

如出现风压风量显示故障，首先须检查确认引压管道的完好性，核实各连接部位是否有堵塞、泄漏、脱落，再检查差压变送器的的接入电源是否为DC 24 V。如果上述两项检查内容无问题，则多是由于差压变送器损坏所致，须更换差压变送器。需注意：反风时，必须将塑料管接入差压变送器的“H”端（风机正转时接“L”端），否则风压、风量故障，极易导致差压变送器的损坏。

4.4 故障报警灯的注意事项

在排除故障的时候，断开QF5 可以关闭频闪警示灯，但监测柜门上的黄色“故障指示”灯一直亮，直到故障排除后，柜门上的黄色灯才熄灭，重新合上QF5，频闪警示灯将不发出声光报警。

5 结语

南庄分公司研究应用了通风机在线监控及自动化故障诊断系统以来，系统实现对风机运行工况的即时监控，尤其是该系统具备的数据实时监控和显示功能、事故报警及追忆功能、远程控制功能，实现了矿井主通风机的自动化管理运行，有效降低了风机故障率，保障了矿井安全生产，同时达到了减员增效的效果。