摘要：系统采用PLC智能开关为控制器，风流中CH4浓度、风速为控制变量，变频器作为执行装置对局部风机进行闭环控制；采用振动监测技术，采集局部风机的振动信号，进行分析处理判断局部风机运行状态。智能控制自诊断局部风机实际应用效果良好，可以实现风电闭锁、瓦斯电闭锁、故障保护、主备电磁启动器断电切换、自动调节风速等智能控制及风机故障的诊断分析，且节能减耗效果明显，达到节能近40%。
关键词：局部风机；智能控制；PLC；自诊断；振动监测
中图分类号：TD441；TD63 文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2016）03－0149－03
引言
依兰三矿局部通风机是固定风量、风压输出模式，在作业面需风量不大时造成大量能耗浪费，在作业面需风量很大时供风能力又相对不足，以至需要整体更换局部风机。针对上述问题对局部风机进行改造，通过对现有技术的研究，采用PLC与变频调速技术实现对局部风机的智能控制，采用振动监测技术实现局部风机故障自诊断。
1煤矿局部风机智能控制及自诊断改造
智能控制系统采用PLC智能开关为控制器，作业面风流中CH4浓度、风速为控制变量，变频器作为执行装置对局部风机进行控制，组成闭环控制系统；自诊断采用振动监测技术，采集局部风机的振动信号，进行分析判断局部风机运行状态。（1）控制器PLC智能开关控制器采用SIMATICS7-226，通过Modbus协议与变频器进行通讯，实现对变频器的智能控制并对变频器运行状态的相关参数进行采集、分析。PLC的中央处理器采集经A/D转换的甲烷传感器与风速传感器的信号，并进行滤波、比较等处理后，输出控制信号给变频器，以控制局部风机电机转速，实现智能控制。（2）变频器变频器整体结构设计为圆柱形隔爆壳体，外径及结构与局扇风筒直径及结构相吻合，在风筒中间采用法兰联接。在不改变局部风机风量、风压、功率等设计参数的情况下，可以实现与现有局部风机的组合。并且利用风机的风流对变频器大功率IGBT散发的高热量进行强制散热，防止变频器元器件老化损坏甚至烧毁。变频器接线、控制腔与隔爆外壳一体化，并且设计了专用端口与PLC智能开关快速连接。变频器运行时电磁干扰严重，会造成井下监控系统、传感器等设备传输过程中信号失真，甚至造成设备误动作。变频器电磁干扰主要来自谐波失真与电磁噪声，通过抑制谐波电压、轴向电流消除无用功，脉冲整流技术消除变频器谐波，采用屏蔽、滤波、隔离、可靠接地等措施使隔爆变频器的电磁干扰不影响煤矿井下设备正常运行。变频器电磁干扰的实测参数如图1所示。（3）局部风机智能调速方法根据煤矿安全规程，当CH4浓度在1%~1.5%时，应进入排放CH4状态。为了节能，当CH4浓度在0~1%时，局部风机的转速与CH4浓度的增减成比例升降，即随CH4浓度的变化自动调节转速。通过研究风流稀释CH4的过程，分析动态变化的掘进工作面风流中CH4浓度，得出了掘进工作面迎头CH4浓度M1、回风巷汇合处CH4浓度M2与局部风机转速之间的关系。通过比较分析掘进工作面不同位置的CH4浓度可以实现局部风机的智能调速。（4）局部风机故障自诊断局部风机自诊断采用振动监测技术，局部风机内部零件老化、磨损引发异常时，会产生异常振动，从振动信号的振动加速度信号波形、振动烈度信号波形、振动加速度信号频谱等信息中可以分析出局部风机转子不平衡、共振、摩擦、轴弯曲等常见故障。所以通过局部风机振动信号的测量与分析，可以在局部风机供风时对出现的故障做出定性诊断，可实现局部风机的针对性维护。局部风机自诊断系统主要由振动监测故障诊断分析仪、振动加速度传感器、监控主机组成。其原理如图2所示，振动加速度传感器与监控主机之间的部分为振动监测故障诊断分析仪内部结构。在局部风机机身安装多个振动加速度传感器，以监测不同部件的振动信号。振动监测故障诊断分析仪通过高精度AD芯片采集多个振动信号，根据风机常见故障机理对故障频率进行计算，计算结果通过数据库进行故障征兆诊断推理，将诊断结果及数据存储在本地硬盘并通过RS485以太网接口传输给控制主机。（5）软件设计采用模块化程序设计技术，模块间任务明确、耦合清晰、彼此相对独立。局部风机智能控制系统采用闭环控制，根据作业面巷道的CH4浓度、风量等状况设定初化始值，反馈信号以作业面的实际局部通风机风量、CH4浓度作为反馈信号，调节变频器输出频率，进而控制局部风机风量，保证作业面CH4浓度不超标，使生产作业安全进行。如作业面CH4浓度骤然升高，局部风机智能控制系统在报警的同时，提高风机转速，风量大幅增加，使CH4浓度迅速下降，确保作业面的CH4浓度在安全范围。该系统的程序流程如图3所示。
2应用效果
局部风机经智能控制及自诊断改进后，在依兰三矿-600m水平进风巷掘进工作面安装布置配备BPB132-660变频器的2×45kW局部风机。（1）功能实现在局部风机的实际运行状态下，局部风机可以实现风电闭锁、瓦斯电闭锁、故障保护、主备电磁启动器断电切换、自动调节风速、手动调节风速等功能效果良好。智能控制局部风机运行的平均功耗与改造前功耗相比降低约40%，节约电费近20万元/a。（2）局部风机故障自诊断局部风机在运行过程中，地面监控主机发出局部风机发生叶片摩擦故障报警，通过对振动加速度、振动烈度等进行人工分析：由图4、图5、图6可知，振动峰值为80.4m/s2，峭度1.8007，振动烈度28.7mm/s。分析振动加速度波形、振动烈度波形、振动加速度频谱等图谱并没有与此型号局部风机轴承故障频率95Hz、62Hz、57Hz相吻合的故障频率。从图4可知局部风机剧烈振动，峰值在80m/s2以上，并且波形曲线存在毛刺，可判断局部风机存在摩擦故障现象；通过对图6进行解析，获得11.5Hz的调制频率，此频率与局部风机该工况下的旋转频率690r/min吻合，未见其他轴承故障。由振动波形诊断出摩擦故障，且通过图6解析出11.5Hz调制频率，可以判定局部风机叶片与风筒之间产生摩擦。经人工检修发现，安装过程中局部风机风筒外壁与智能开关防爆外壳发生过撞击，风机风筒外壳出现微弱凹痕，此处与风机叶片安装位置吻合，所以造成局部风机叶片与机壳出现摩擦，经维修后，风机运行正常。
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作者：孔祥柯 单位：中煤能源黑龙江煤化工有限公司
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