矿井通风监测控制系统的可靠性分析

赵 健

（晋能控股煤业集团晋华宫矿， 山西 大同 037016）

引言

矿井通风系统负责向井下供给新鲜空气，同时起到排出瓦斯等有毒有害气体与抑制煤尘、烟尘等作用[1]。为了保证生产系统的安全运行，需要对通风系统的运行参数、巷道环境参数等进行实时监控，及时发现安全隐患，采取有效解决措施[2]。通风监控系统通常由若干部分组成，设备网络较为复杂，系统的可靠性是井下通风效率的重要保障。如果在运行过程中，监控系统的设备出现故障，会对通风网络的监测参数造成影响，误导工作人员作出错误判断，为井下的生产工作带来威胁[3-4]。因此，研究并分析通风监控系统的可靠性，建立系统的可靠寿命模型，对于保障矿山安全具有重要意义。

1 通风监控系统

煤矿通风监控系统集计算机技术、网络通信技术、传感器技术等于一体，实现矿井通风网络的综合化管理，保障煤矿安全、高效生产[5]。目前，国内煤矿采用的通风监控系统主要组成结构如图1 所示，系统采用树形网络结构，包括地面监控主机、网络交换机、远程监控中心、控制器、变频器与传感器设备等装置，具有对通风参数模拟量、数字量的采集、传输、计算、控制与报警等功能。在运行过程，系统会发生不同形式的故障，从实际情况观察可知，地面设备、人为因素与软件的故障概率较小，而井下监控分站与传感器设备对系统可靠性的威胁较大。因此，从矿井通风网络的硬件结构入手，评估监控系统的可靠性，可有效提高通风网络设备的安全管理效率，保障通风系统可靠运行[6]。在本文研究过程中，将系统中风速、瓦斯等传感器与监控分站组成不同子系统，方便系统整体的可靠性评估。

图1 通风机监控系统整体结构

2 可靠性理论与方法

2.1 可靠性评价指标

在对系统进行可靠性分析时，需要用到各种数量指标，包括失效概率密度、可靠度、平均寿命与失效率等[7-8]。

1）失效概率密度是累计失效概率对时间的导数，表示单位时间内的失效概率，记作f（t）。累计失效概率描述产品的使用寿命，记作F（t），且F（0）=0，F（+∞）=1。失效概率密度公式如下：

2）可靠度用于描述规定条件下在规定时间内完成规定功能的概率分布，可靠度是描述时间的函数，记作R（t），证明规定时间越短，产品实现功能的概率越小。可靠度与失效概率密度、累计失效概率的关系如式（2）、式（3）所示：

3）平均寿命指被测产品寿命的期望，记作θ，计算公式为：

推导得：

可知，通过积分可靠性函数可得到产品的平均寿命。

4）失效率反映产品的失效规律，描述t 时刻产品正常工作，在[t，t+Δt]时间段内的失效概率，计算公式如下：

2.2 可靠性研究方法

本文通过对通风网络进行可靠性预计，判断系统可靠性是否满足实际需要。可靠性预计是根据产品以往的故障数据与工程经验，并结合产品零部件的故障失效率来预测实际的可靠度。可靠性预计可协调产品设备的参数，合理提高可靠度，通过选择最优方案，采取必要措施，降低产品的失效率。将系统的故障率记为λs，则计算公式如下：

式中：λpi表示第i 个零部件的故障率；N 表示零部件的种类数量；Ni表示第i 个零部件的数量；λb表示基本故障率；πe、πR、πA、πS、πC分别表示零部件的环境因子、电流因子、应力因子、电压因子与配置因子；M 为故障数量。

系统的可靠性预计平均寿命MTBF=1/λs。

3 可靠性模型分析

由于井下环境复杂，通风监控系统的井下设备受到的干扰因素较多，是通风系统故障的重灾区。因此，本节针对井下的主要设备进行可靠性预计，具体包括监控分站与传感器设备可靠性预计，并对系统整体进行可靠性分析，评估寿命。

3.1 监控分站可靠性预计

监控分站主要负责采集参数的预处理与指令传输工作，以KJ90-F8 监控分站为例进行可靠性预计，设备温度150 ℃，环境温度选取40 ℃，根据器件规范，得到各零件失效率，如表1 所示。

由表1 可知，各零部件的失效参数，通过式（7）与式（8）可计算得到监控分站的失效率λh与平均寿命MTBFh。

表1 监控分站零件失效率

3.2 传感器可靠性预计

监控系统中传感器设备包括风速传感器、瓦斯传感器与风压传感器等，以GFW15 风速传感器为例进行可靠新预计，其环境参数与监控分站相似，各零部件的失效率参数如表2 所示。

表2 风速传感器零件失效率

通过式（7）与式（8）可计算得到风速传感器的失效率λ1与平均寿命MTBF1。同理，可计算得到瓦斯传感器、风压传感器、温湿度传感器等设备的失效率λm与平均寿命MTBFm，其中m 为传感器个数。

3.3 系统整体可靠性分析

通过上述分析，得到了监控分站与各传感器设备的失效率与平均寿命，根据可靠度与失效率之间关系：

由式（9）可计算得到各设备在工作1 000 h 后的可靠度R。通风监控系统为树形监控网络，系统整体可靠度与各子系统可靠度之间关系如下：

式中：m 为组成系统的子系统个数，子系统之间为并联关系；n 为各子系统的元器件串联个数。本文研究的预计模型中，m 与传感器个数相等，n=2。

通过式（10）可计算得到整个监控系统在工作1 000 h 后的可靠度Rs，根据上述公式推导，可进一步得到系统的失效率λs与平均寿命MTBFs。根据煤矿安全监控系统的技术标准，煤矿安全监控系统所需实现规定功能的平均故障寿命不应小于800 h，通过与计算得到的MTBFs对比，可评估煤矿通风监控系统的可靠性是否达标。

4 结论

本文针对煤矿通风系统井下设备故障频发的情况，建立了一种可靠性评估方法，选取了失效概率密度、可靠度、平均寿命与失效率4 种可靠性指标，将监控系统分为若干子系统，分别计算得到监控分站与传感器设备的可靠性指标，通过子系统之间的串并联关系，得到整个监控系统的可靠性指标进行平均寿命的评估。本文建立的可靠性评估模型，结合矿山特点，可有效反映与估计整个通风系统的运行状态和安全寿命，对建立高效、安全的数字化煤矿具有十分重要的实用价值。