矿井主通风机故障诊断专家系统设计与应用

高 炳

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司设备修造厂，山西 介休 032000）

引言

矿井主通风机是保障矿井可靠通风及安全生产的关键设备，其重要性体现在不间断地向井下输送新鲜空气，同时排出粉尘及“乏风”气体，形成有效的矿井循环风系统。矿井主通风机的重要性体现在以下方面：一旦主通风机发生故障，轻则导致设备损坏、风流紊乱和通风不畅，重则导致有害气体积聚、瓦斯超限、氧气不足、灾害发生，甚至人员伤亡。因此，对于矿井主通风机的各类故障必须高度重视，从对系统的实时监测入手，建立矿井主通风机故障诊断专家系统，及时识别并定位各类故障，尽早对设备故障进行处置，避免故障扩大及事故恶化[1-3]，从而保障矿井安全生产。

1 主通风机故障分析及常见故障诊断方法

矿井主通风机主要包括抽出式、压入式及混合式三种供风方式，其中尤以抽出式工作方式应用最为常见。而且对旋轴流式通风机得到了越来越广泛的应用，其优势主要包括供风效率高、能耗低、噪声小，而且设备占用空间小，安装使用较为方便。对于对旋轴流式通风机，其故障主要包括风机故障及电机故障两类，具体介绍如下。

1.1 风机故障分析

风机由于长时间不间断运行，容易发生振动异常、构件松动、温度过高、噪声增大等故障。振动异常可能是由于电动机转子不平衡、叶片偏心、转子摩擦等引起的；构件松动可能是由于装配及安装问题、长时间异常振动及共振、螺栓松动等引起的；温度过高可能是由于装配不当、异常摩擦生热、润滑不足等引起的；噪声增大可能是由于振动及松动、转子偏离、叶片损坏、轴承磨损等引起的。

1.2 电机故障分析

电机的构成要素包括转子和定子两部分，电机故障主要包括振动异常、声音异常、温度过高及异味等。其中以振动异常故障最为常见，产生原因也较多，例如电压不稳定、定子绕组不对称、转子偏心或不平衡、传动装置装配不当等，导致电机负载增大、噪声增大、寿命降低等；声音异常预示着较为明显的故障，应引起足够重视，出现的原因可能是电气原因形成的电磁噪声、轴承磨损形成的噪声、传动机构件松动或摩擦引起的噪声等；温度过高或产生异味通常也预示着较严重的故障，出现的原因包括电机散热不畅、电压过大、电气短路、绕组烧毁、电机烧毁等。

自工业革命以来，机电设备广泛应用并发展，逐渐形成了综合性的故障诊断学科，其不仅局限于矿井主通风机的故障诊断，对整个学科所形成的故障诊断方法也是十分丰富的，主要包括基于解析模型的故障诊断方法、基于知识数据库的故障诊断方法、基于信号处理的故障诊断方法3 种，又可细分为参数估计法、状态估计法、等价空间法、专家系统法、模糊推理法、神经网络法、故障树分析法、时频分析法、时序分析法等[4-8]。本文研究使用了模糊推理方法建立起故障诊断专家系统，对矿井主通风机的故障检测及处置提供有效监控及指导。

2 故障诊断专家系统设计

结合故障诊断学科的基本原理，在对矿井主通风机各类故障案例进行大量统计分析及模糊推理的基础上，设计了一套基于模糊推理的故障诊断专家系统。

2.1 系统设计流程

首先，明确故障诊断专家系统的设计流程。整个系统的建立流程主要可分为4 步，如下页图1 所示。具体内容为：第一步是大量故障案例及数据的统计分析阶段；在大量原始数据的基础上，建立起第二步的信息模块，该模块主要包括3 个模型，分别是数据库模型、知识库模型、诊断推理模型（模糊推理模型），这是整个专家系统的知识及数据来源，是实施设备监测及故障诊断的基础；第三步是建立功能模块，包括主通风机监控系统、故障诊断系统、系统帮助模块、数据生成查询及报警模块等；第四步是建立结构模块，也就是系统的功能实现模块，通过该模块实现故障的诊断、处置等功能。

图1 故障诊断专家系统的设计流程

2.2 故障诊断专家系统的建立

按照既定流程，依据结构化工作原理进行故障诊断专家系统的搭建。整个系统若要实现需要的设备监测及故障诊断功能，并保证数据的稳定性、诊断的精确性、良好的人机交互性等要求，需要建立以下功能模块，具体的故障诊断专家系统示意图如图2所示。

图2 故障诊断专家系统结构示意图

2.2.1 设备监测监控模块

设备监测监控模块主要对主通风机的运行状态进行实时监控，可以分别实现通风方式选择、风机选择、参数调控、控制操作等，包括正常通风方式和反通风方式两种，可以选择1 号或2 号主通风机；可以对各子系统实施运行控制；可以对两个主通风机的负压全压数据、绕组及轴承温度、风速、气流、瓦斯浓度等进行不间断监测，并通过以太环网实现数据同步，实现运行监测与控制、异常报警、数据处理等功能。

2.2.2 模糊推理及故障诊断模块

模糊推理及故障诊断模块包括自动故障诊断和模糊推理诊断两项功能。如果系统发现主通风机运行参数超限，会启动模糊推理及故障诊断模块，将监测到的参数上传数据库进行比对，从而识别故障类型，发出故障警报，查找故障原因，出示故障处置方法，为用户提供精准的故障处置方法，实现故障快速有效诊断。由于主通风机结构复杂，故障类型也呈现多样性和复杂性，一些非正常运行如果只靠专业人员调查解决，难免难度大、工作量过大，而模糊推理及故障诊断的功能是结合专家系统及数据库进行推理以确定故障类型及其原因，大大提高了处置效率。

2.2.3 即时报警及应急处置模块

当系统监测并识别出故障时，必须及时发出警报，并迅速确定故障类型、故障位置，并提出有效的应对措施，然后工作人员根据专家系统建议再实施一系列的故障应急处置，处置过后系统会对故障信息及处置情况进行记录，生成报表，以便查询及分析。

2.2.4 人机交互模块

一个好的系统必须具备良好的人机交互性。人机交互性的好坏，主要体现在操作系统的主界面，用户通过主界面来使用系统不同的功能模块，可进行参数的调整、数据的查询、报表的生成，最主要的是整个设备监控及故障诊断的过程与结果均会通过人机交互的操作系统来实现，从而方便技术人员更好地利用系统来进行主通风机的应用和管理。

3 系统实现及应用

整个故障诊断专家系统可以根据矿井具体情况及任务需求，利用系统内的各类传感器、信号传输系统、数据处理系统、模糊推理及诊断系统等模块，完成系统功能的实现。根据系统架构，在系统的实现阶段利用Access 数据库管理系统及MATLAB 编译程序完成系统软件开发。开发的矿井主通风机监控及故障诊断专家系统界面如下页图3 所示。类似常规的Windows 窗口界面，工作人员可以方便地对主通风机实施启停、紧急制动、参数调整等操作，还能够选择使用通风机及通风方式，具备数据查询、曲线及报表生成等功能。对于最为核心的故障诊断模块，以噪声异常故障为例，系统会根据监控系统所上传的实时数据进行分析，依据模糊推理的概率，自动诊断出故障原因为“转子叶片磨损过大”，解决方案是“及时维护并更换叶片”等，工作人员可根据提示进行人工排查并处置，及时解决故障问题。

图3 矿井主通风机监控及故障诊断专家系统界面

4 结语

矿井主通风机安全监控及故障诊断专家系统作为煤矿信息化及智能化的重点突破方向，作用会越来越凸显，也会得到更多的重视和发展。对于系统的设计改造，推倒重建是一个思路，但投入成本大，对现有生产过程影响大，不易施行；而在现有设备和条件的基础上进行系统更新改造，基于具体的矿井生产和应用条件，通过较小的投入、较短的工期，实现对设备的有效监控和故障的应急处置，不失为一个好的思路。矿井主通风机故障诊断专家系统的设计研发取得了成功，利用新技术和产品进行升级改造，并成功地进行了工业性试验，取得了良好的应用效果，大大降低了成本、缩短了工期，提高了矿井主通风机运行的可靠性及矿井安全管理水平。