礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

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［摘要］為了能夠準(zhǔn)確掌握井下通風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，確保風(fēng)量滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，以新村煤業(yè)井下通風(fēng)改造項(xiàng)目為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)和預(yù)判系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，后期應(yīng)用及檢驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，預(yù)判和預(yù)測(cè)系統(tǒng)是否存在故障，確保了井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

［關(guān)鍵詞］通風(fēng)系統(tǒng)；通風(fēng)機(jī)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集

引言

實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)的及時(shí)或超前預(yù)判，對(duì)保障煤礦井下安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。因此，在煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中，建立一套井下通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和通風(fēng)狀態(tài)預(yù)判機(jī)制是十分必要的，它可以提高對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)狀況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，提升礦井安全管理水平。本文以新村煤業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合分析能力，提出了礦井通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新村煤業(yè)井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)判。

1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

因煤礦井下開(kāi)采條件極其復(fù)雜，各種不確定因素影響較多，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)停機(jī)、不能自動(dòng)倒臺(tái)等故障問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)各項(xiàng)功能的有效監(jiān)測(cè)、分析及管控，可以減小因通風(fēng)機(jī)故障影響造成的礦井損失。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)［1-2］，利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析功能，結(jié)合通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入，將各節(jié)點(diǎn)間的連接情況正向逐層處理后，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出與期望輸出的誤差［3］，可以擬合分析出通風(fēng)機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的一般規(guī)律。當(dāng)前煤礦使用的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警控制平臺(tái)的使用方法較為單一，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、甄別和分析，基于對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間存在的故障問(wèn)題，建立系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要作用就是模擬人的思維，在解決處理某個(gè)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的不斷學(xué)習(xí)訓(xùn)練，從而達(dá)到對(duì)一些問(wèn)題的自主處理能力，并且能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題處理方法的優(yōu)化調(diào)整，從而減少下次犯同樣錯(cuò)誤的可能性，其本身具有容錯(cuò)、學(xué)習(xí)和聯(lián)想的特性。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是目前應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之一，它的學(xué)習(xí)過(guò)程由信號(hào)正向傳播與誤差的反向回傳2部分組成。其中在正向傳播時(shí)，輸入樣本從輸入層傳入，經(jīng)各隱層依次逐層處理，傳向輸出層，若輸出層輸出與期望不符的信號(hào)，則將誤差作為調(diào)整信號(hào)逐層反向回傳，對(duì)神經(jīng)元之間的連接權(quán)矩陣做出處理，使誤差減小，經(jīng)反復(fù)學(xué)習(xí)，最終使誤差減小到可接受的范圍［4］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2通風(fēng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1總體設(shè)計(jì)煤礦井下使用的通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以PLC控制器為核心，主要由通風(fēng)機(jī)主機(jī)、信號(hào)測(cè)取裝置、變頻器、各類傳感（變送）器、信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換裝置、通訊裝置、供電裝置、顯示器等設(shè)備及元器件組成。它的主要作用是對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集及對(duì)設(shè)備輸入輸出功率進(jìn)行控制。通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.1.2設(shè)備硬件的選擇通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備硬件的選擇需要根據(jù)井下生產(chǎn)需要及通風(fēng)機(jī)的使用情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，它主要包括通風(fēng)機(jī)供配電系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)設(shè)備以及PLC控制系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì)等［5］。（1）供配電系統(tǒng)的選擇設(shè)計(jì)。根據(jù)井下通風(fēng)機(jī)用電情況對(duì)供配電線路及系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使供配電線路、系統(tǒng)布局合理，降低電能損耗。通風(fēng)機(jī)供配電系統(tǒng)的組成主要包括供電母線聯(lián)絡(luò)柜供電電源、變壓器、低壓配電柜和進(jìn)線柜、變頻器供配電線路等相關(guān)設(shè)備和元件。（2）通風(fēng)機(jī)的選擇。根據(jù)該礦通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造項(xiàng)目實(shí)際需要選擇的通風(fēng)機(jī)既要滿足安全生產(chǎn)所需要的風(fēng)量，又要減少不必要的浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)綜合分析，最終選擇了2臺(tái)FBDNO6.3/2×30礦用隔爆型對(duì)旋軸流局部通風(fēng)機(jī)，其額定功率為30kW，供風(fēng)量在390～590m3/min。在通風(fēng)機(jī)安裝時(shí)，在其出氣口處安裝了5臺(tái)溫度傳感器，同時(shí)通風(fēng)機(jī)可以根據(jù)工作面用風(fēng)量需求進(jìn)行風(fēng)量大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)，便于井下使用。（3）PLC控制系統(tǒng)的選擇。本次改造的項(xiàng)目選用了由西門子公司制造生產(chǎn)的S7-400系列PLC控制器，該型號(hào)的控制器具有性能穩(wěn)定可靠、編程簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)［6］，對(duì)井下環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠滿足井下通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求。

2.2數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提升和發(fā)展，數(shù)據(jù)信息采集功能也得到了廣泛推廣和應(yīng)用，特別是在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，大大提升了原有系統(tǒng)的工作效率。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)主要包括傳感器數(shù)據(jù)信息采集、信號(hào)的傳輸與處理、A/D相互轉(zhuǎn)換等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理是通過(guò)安裝在風(fēng)機(jī)上的傳感器將監(jiān)測(cè)的設(shè)備所發(fā)出數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并將采集的信息存儲(chǔ)在傳感器的輸出信號(hào)中，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行存儲(chǔ)，最后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中顯示并進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)信息采集傳輸處理關(guān)系如圖3所示。

2.3通風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)的原理是根據(jù)數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，最后將處理信息反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行操作。該系統(tǒng)主要是通過(guò)OPCServer服務(wù)器在MCGS軟件與PLC控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸功能，并且能夠利用MATLAB軟件通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。通風(fēng)預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)井下改造項(xiàng)目的實(shí)際需要對(duì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出具體要求，設(shè)計(jì)的基本原則是確保軟件的實(shí)用、穩(wěn)定可靠，同時(shí)在后期能夠進(jìn)行軟件擴(kuò)展升級(jí)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖5可知，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)功能的主要流程是對(duì)傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)和采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，并根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的分析和預(yù)判［7-9］。該平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面顯示的內(nèi)容主要包括通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、軸溫、電流及電壓等。同時(shí)該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控、運(yùn)行狀態(tài)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警、參數(shù)設(shè)置等功能。后期實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)峦L(fēng)系統(tǒng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，對(duì)系統(tǒng)是否存在故障進(jìn)行預(yù)判和預(yù)測(cè)，該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)判預(yù)測(cè)情況，可以將系統(tǒng)的安全性閾值劃分為危險(xiǎn)、較大危險(xiǎn)、一般、較安全和安全5個(gè)級(jí)別。當(dāng)預(yù)判預(yù)測(cè)的結(jié)果為危險(xiǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，從而確保了井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠。

4結(jié)論

（1）為了能夠掌握井下通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，確保風(fēng)量滿足生產(chǎn)作業(yè)要求，保證井下作業(yè)安全，通過(guò)對(duì)井下通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)判預(yù)測(cè)。以新村煤業(yè)井下通風(fēng)改造項(xiàng)目為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)通風(fēng)監(jiān)測(cè)和預(yù)判系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得到了能夠達(dá)到該改造項(xiàng)目要求的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。（2）對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的各項(xiàng)功能及具體要求提出了總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，后期的應(yīng)用及檢驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，對(duì)系統(tǒng)是否存在故障進(jìn)行預(yù)判和預(yù)測(cè)，確保了井下通風(fēng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。該項(xiàng)設(shè)計(jì)對(duì)井下通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供了重要參考價(jià)值，對(duì)保障井下通風(fēng)及生產(chǎn)作業(yè)安全具有指導(dǎo)意義。

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作者：吳淑怡 單位：同煤集團(tuán)忻州窯礦