矿用轴流风机（共4篇）
矿用轴流风机 篇1
煤炭工业在我国能源工业中占有非常重要的战略性地位, 随着我国煤矿采掘机械化水平的不断提高, 煤矿粉尘危害问题越来越严重, 带来的严重后果是煤尘爆炸隐患增大, 煤矿尘肺病人数逐年增多, 因此, 煤矿井下粉尘治理问题受到政府主管部门和科研机构的普遍重视[1]。
煤矿井下粉尘治理的重点是采煤工作面和掘进工作面。据资料显示, 综采和综掘工作面的粉尘浓度高达2 000 mg/m3, 其中, 呼吸性粉尘 (Φ≤10 μm) 所占比例高达20%左右, 总粉尘和呼吸性粉尘均严重超标达100倍以上[2]。综采工作面, 在采煤机采煤过程中, 利用采煤机喷雾降尘 (内喷雾和外喷雾) 技术, 可使该处总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度降低84.7%和67.5%, 在液压支架处, 利用自动高压喷雾降尘技术, 可使支架下风10 m处的总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别降低74.6%和61.1%。掘进工作面, 利用掘进机喷雾降尘 (内喷雾和外喷雾) 技术和除尘器抽尘净化技术, 可使该处的总粉尘浓度和呼吸性粉尘浓度分别降低78.9%和63.2%[3]。以上除尘技术存在除尘效率低 (尤其是呼吸性粉尘除尘效率) , 耗水量大等问题, 为有效控制煤矿主要产尘点的粉尘浓度, 国内外科研院所、高校等对除尘器抽尘净化技术做了众多研究, 除尘技术主要有干式除尘和湿式除尘两种, 由于干式除尘存在除尘效率低、处理风量小等缺点, 故研究重点是湿式除尘技术。本文所述矿用湿式除尘风机由进风筒、煤矿用防爆抽出式对旋局部通风机、供水喷雾系统、经纬湿式除尘器和气水分离器等组成, 经检测检验, 该设备的总除尘率≥98%, 呼吸性粉尘的除尘率≥90%, 经产品技术查新, 设备的除尘性能已达到国际先进水平。
1 主要结构及工作原理
矿用湿式除尘风机由进风筒、煤矿用防爆抽出式对旋局部通风机、供水喷雾系统、除尘器、气水分离器和骑乘器组成, 外形结构如图1 所示。矿用湿式除尘风机除尘器主要由喷雾头、供水系统、过滤板、气水分离器组成, 外形结构如图2所示。
矿用湿式除尘风机主要工作原理是供水系统高压水流经喷雾头形成水雾, 喷向纤维 (经纬振弦过滤栅) 过滤板形成水幕, 含尘空气经煤矿用防爆抽出式对旋局部通风机压向过滤板与水雾混合, 附有水幕的纤维使水雾与含尘空气的混合物凝结、滞留, 高压气体冲击纤维产生振动, 部分混合物在自重、水流或振动作用下沿纤维向下移动至除尘器底部进入气水分离器, 大部分混合物在高压气体作用下直接进入气水分离器, 气水分离器将混合物分离后, 污水由排污口排出除尘器外, 清洁水进入循环过滤水箱重新经供水系统循环使用, 经除尘器净化后的空气从气水分离器出口排出。由于气流使过滤板的纤维振动, 加剧了水雾与含尘气体中粉尘的冲突, 有效地提高了对粉尘的捕获率, 实现一次除尘, 同时, 也使纤维过滤板实现自清洁。在气水分离器中粉尘与水雾再次混合, 再次实现粉尘捕捉, 实现二次除尘。通过两次除尘, 有效地提高了除尘效率, 同时, 经气水分离器分离后的清洁水进入循环供水系统循环利用, 有效地提高了水的利用率。
1.1 高效除尘器
高效除尘器采用经纬振弦过滤栅捕尘技术, 以高吸附性的纤维作为过滤载体。除尘器采用封闭箱式结构, 高压供水系统经管路接入除尘器内部, 由喷嘴将水雾化喷向过滤栅, 过滤栅在气流的冲击作用下振动, 具有自清洁功能。为保证除尘效率, 安装过滤栅的过滤板采用经纬布置, 布置多少可按现场条件组合安装。
1.2 高效低噪隔爆风机
隔爆风机是整个除尘风机的工作动力, 要求风量大、压力高、噪声低。除尘风机的效率主要体现在能量的转换上, 一般的除尘风机的效率只有50%, 本除尘风机采用高效低噪隔爆风机 (双隔爆电机、双叶轮) , 效率可达82%。由于除尘风机的转速达到了2 900 r/min, 会产生较大的噪声, 为使井下工人有一个较好的工作环境, 避免噪音污染, 该除尘风机采用带双消声器的对旋隔爆风机。
带双消声器的对旋隔爆风机内部结构如图3所示。
1.3 气水分离器
含尘空气经除尘风机除尘后, 由于湿式喷雾的原因, 排出空气中含有大量水分, 采用旋流器 (导叶) 加过滤板式气水分离装置, 使空气中的水雾在离心力和旋流器的作用下分离, 并从排污口排出, 达到进一步净化空气的目的, 并保持工作场所的空气干燥舒适。
2 主要技术参数
矿用湿式除尘风机经国家安全生产重庆矿用设备检测检验中心检验, 各项技术指标均符合国家标准 《 矿用除尘器通用技术条件 》 (MT159-2005) 和企业标准要求, 主要技术参数如下:
总粉尘除尘效率≥98%;呼吸性粉尘除尘效率≥90.6%;工作噪声≤84.2 dB;液气比≤0.6 L/m。
3 主要技术特点
3.1 除尘率高
采用长压短抽通风除尘系统, 能有效地实现粉尘的就地净化, 特别是对呼吸性粉尘有较高除尘效率, 是新一代高性能除尘设备。经技术检测, 总粉尘除尘效率≥98%, 呼吸性粉尘除尘效率≥90%。
3.2 布局独特
该除尘风机采用卧式布局, 具有断面小、结构紧凑、整体性强等特点。以KCS-180D为例, 尺寸为:D·L·B·H=570 mm×3 530 mm×1 608 mm×1 714 mm。
3.3 安全可靠
该矿用湿式除尘风机采用安全可靠的FBC型防爆抽出式轴流局部通风机为动力, 利用水做净化剂, 阻力小、噪声低、防爆安全。
3.4 机理先进
KCS型湿式除尘风机采用喷淋式除尘机理, 在除尘过程中, 利用雾化并带有一定能力的水滴来捕捉进风口吸进的带尘风流中的粉尘颗粒, 后通过出风口脱水, 达到净化空气的目的。
3.5 节约资源
采用了独特高效的气水分离器, 污水脱除及气水分离效率高, 耗水量小, 液气比≤0.6 L/m, 耗水量仅20 L/min。能使水循环利用, 有效节约水资源。定时排污、换水对作业环境不会造成污染。
3.6 组装便捷、使用方便
该除尘风机体积小、重量轻、移动安装方便, 可根据作业场所需求, 采用多种方法安装与掘进巷道通风除尘配套使用。
4 总结
矿用湿式除尘风机对煤、岩巷掘进、锚喷工作面及其他产生亲水性粉尘的产尘点具有高效消除气体中的有毒有害成分的作用。产品经批量生产使用, 受到用户好评, 现已进入产业化阶段。
摘要：随着我国煤矿采掘机械化水平不断提高, 煤矿掘进工作面粉尘污染问题日益严重, 导致煤尘爆炸隐患增大, 煤矿尘肺病人数逐年增多。矿用湿式除尘风机能有效的消除产尘点气体中的大部分有毒有害成分, 有效地保护工人免受尘、毒侵害, 同时起到避免煤尘爆炸的作用。介绍了一种矿用湿式除尘风机的主要结构及工作原理、技术创新、主要技术参数和技术特点等, 该设备在部分煤矿试用, 效果良好。
关键词：矿用湿式除尘风机,除尘器,研制
参考文献
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矿用轴流风机 篇2
矿用通风机扩散器的主要作用有两点:一是通过降低出口动压以提高通风机静压,从而回收通风机出口的动能,进而提高通风机的静压效率;二是,由于通风机排气噪声的声功率与通风机出口气流速度的8次方成正比,因此在通风机出口设置扩散器可以明显降低排气噪声[1]。扩散器作为通风机主要零部件,对通风机的气动性能有着重要的影响,为分析其影响,相关学者进行了大量的研究[2,3,4,5]。这些研究工作主要集中在单级通风机扩散器结构参数优化设计方面,且优化目标仅为通风机的效率,而对于矿用对旋式轴流通风机扩散器结构设计参数的多目标优化设计的研究鲜见报道。
在进行矿用对旋式轴流通风机气动性能优化设计时,应同时考虑通风机全压及效率这两个不同的目标。因此,该优化属于一个多目标优化问题。在多目标优化过程中,各个目标之间既联系又相互冲突,即过度追求高的通风机全压可能会导致通风机效率的降低,反之亦然。要使多个目标同时达到最优值几乎是不可能的,因此必须对各个目标的组织和协调进行深入的研究。
本文以矿用对旋式轴流通风机扩散器为研究对象,应用计算流体力学(CFD)软件Fluent对其进行三维流场模拟。采用实验设计方法,研究矿用对旋式轴流通风机扩散器结构设计参数与通风机全压及效率之间的关系,并以通风机全压及效率为优化目标,对通风机扩散器结构设计参数进行多目标优化设计。
1 通风机扩散器结构参数与数值模拟方法
1.1计算模型
为研究扩散器结构对通风机气动性能的影响,同时也便于分析比较,本文以某煤矿矿用对旋式轴流通风机主扇为研究对象,该通风机的设计参数如表1所示。改进前的扩散器结构设计参数如下:扩散器芯筒尾部半径R1=194mm,扩散器出口截面直径d2=2374mm,扩散器入口芯筒截面直径d3=1140mm(与通风机轮毂直径相同),扩散器入口截面直径d4=1900mm(与通风机叶轮直径相同),扩散器长度L1=3800mm。扩散器结构如图1所示。
运用Solidworks建立矿用对旋式轴流通风机叶轮的三维模型(图2),在第一级叶轮前端加上集流器和流线罩,在第二级叶轮后端加上扩散器以形成一个完整的通风机三维几何模型(图3)。将通风机三维几何模型导入到CFD前处理软件Gambit中,应用非结构四面体网格TGrid对通风机三维几何模型进行网格化。由于该通风机的体积较大,为提高计算效率,在设置体网格尺寸时可将通风机中的集流器、流线罩和扩散器的体网格尺寸设置稍微大一些,但其体网格尺寸不应与第一级叶轮及第二级叶轮体网格尺寸相差过大。本实验中,集流器、流线罩和扩散器的体网格尺寸设置为40,第一级叶轮的体网格尺寸设置为32,第二级叶轮的体网格尺寸设置为31。整个通风机的网格数为1 221 042。
1.2边界条件
应用计算流体力学软件Fluent对该通风机进行三维流场模拟,采用三维定常Navier-Stokes方程和标准k-ε模型进行求解[6,7]。该三维流场模型边界条件设置为:流体为常温下的空气,将通风机入口设置为质量流量入口,在集流器、流线罩所组成的流体区域与第一级叶轮的流道区域之间、第一级叶轮的流道区域与第二级叶轮的流道区域之间、第二级叶轮的流道区域与扩散器所形成的流体区域之间分别设置混合面。通风机前后两级叶片及轮毂均设为静墙,且设定通过第一级叶轮转子间的流体与通过第二级叶轮转子间的流体旋转方向相反,将通风机外壳设为与对应轴旋转方向相同的墙,三维流场模拟的迭代次数为2500,通风机计算网格及边界条件如图4所示。
1.集流器、流线罩区域 2.叶轮区域 3.扩散器区域
2 实验设计与结果分析
2.1实验设计
为研究矿用对旋式轴流通风机扩散器对通风机全压及效率的影响,考虑到扩散器入口截面直径、入口芯筒截面直径应分别与通风机叶轮直径、轮毂直径相互匹配。因此,本文选取扩散器的3个设计参数(扩散器芯筒尾部半径R1、扩散器出口截面半径R2、扩散器长度L1)为设计变量,应用实验设计方法来揭示扩散器的3个设计参数与通风机全压及效率之间的关系,从而为扩散器的优化设计提供参考。综合考虑实验设计的各种方法,本文采用中心组合设计来安排实验方案。在实验设计之前,通过单设计变量因子实验确定出各设计变量的变化范围,单设计变量因子实验结果表明:扩散器的3个设计参数R1、R2、L1对通风机全压和效率均有影响。由单设计变量因子实验确定出实验中各设计变量的变化范围(为了便于分析将R1、R2、L1分别由X1、X2、X3代替)各因素的水平与编码见表2,实验方案见表3。
2.2实验结果分析
应用FLUENT软件分别对20组实验方案进行三维流场数值模拟,分别得到与其对应的通风机全压和效率,如表4所示。
图5所示为在设计流量下矿用对旋式轴流通风机扩散器3个设计参数对通风机全压的影响。由图5可知:随着扩散器芯筒尾部半径R1的增大,通风机的全压会先减小而后增大;通风机全压随着扩散器出口截面半径R2的增加而减小,随扩散器长度L1的增加而增大;扩散器3个设计参数对通风机全压的影响由大到小分别为L1、R2、R1,即扩散器长度L1对通风机全压影响最为显著。
图6所示为在设计流量下矿用对旋式轴流通风机扩散器3个设计参数对通风机效率的影响。由图6可知:通风机效率随R1、L1的增加而增大,随R2的增加而减小,且L1对通风机效率的影响最为显著。这主要是由于扩散器长度L1的增加可以有效地降低通风机出口动压,提高通风机静压,通过回收通风机出口的动能,提高通风机的效率。
通风机扩散器结构设计参数x2和x3对通风机全压及效率的影响的响应面曲面及等高线如图7、图8所示。
对各因素进行多元回归拟合,得到以通风机全压f1(x1,x2,x3)及效率f2(x1,x2,x3)为目标函数的回归模型:
f1(x1,x2,x3)=3874.98+6.87x1-14.43x2+
14.90x3+0.59x1x2-4.13x1x3+7.00x2x3+8.54x21-
1.89x22+6.28x23-0.50x1x2x3+19.53x21x2-
13.99x21x3-9.51x1x22
f2(x1,x2,x3)=81.13+0.10x1-0.34x2+0.37x3+
0.022x1x2-0.038x1x3-0.013x2x3+0.047x21-
0.077x22+0.098x23+0.07x1x2x3+0.24x21x2-
0.28x21x3-0.13x1x22
3 扩散器结构参数多目标优化与分析
3.1多目标优化设计
根据回归模型,以通风机全压和效率为优化目标,以扩散器3个结构设计参数为变量,以各变量的取值范围为约束条件,可建立如下目标函数及其约束条件:
max f1(x1,x2,x3),f2(x1,x2,x3)
s.t. -1≤x1≤1,-1≤x2≤1,-1≤x3≤1
因为通风机全压及效率是两个不同的目标,因此该优化属于一个多目标优化问题。由于通风机全压与效率两者之间既相互联系又相互冲突,要使两者同时达到最优值几乎是不可能的,因此必须协调两者之间的关系。本文应用多目标粒子群优化算法对通风机全压及效率进行多目标优化,找到能使两者尽可能达到比较大的非劣解,即Pareto最优解。
3.2粒子群优化算法
粒子群算法将代表优化问题一个潜在解的个体看作是n维搜索空间中一个没有重量和体积的粒子,该粒子在搜索空间中以一定的速度飞行,这个速度根据它本身飞行经验以及同伴的飞行经验进行动态调整。假设在n维目标搜索空间中有m个粒子组成一个粒子群,其中第i(i=1,2,…,m)个粒子具有如下特征:粒子i的当前位置xi=(xi1,xi2,…,xin),粒子i的当前速度vi=(vi1,vi2,…,vin),粒子i迄今为止经历过的最好位置pp=(pi1,pi2,…,pin),全局最优位置pg=(pg1,pg2,…,pgn)。粒子的速度和位置按下列进化方程更新:
vi,j(t+1)=wvi,j(t)+c1r1(pp(t)-
xi,j(t))+c2r2(pg(t)-xi,j(t)) (1)
xi,j(t+1)=xi,j(t)+vi,j(t+1) (2)
式中,j为搜索空间的维数,j=1,2,…,n;t为当前进化代数;r1、r2为两个相互独立的随机函数,r1～U(0,1),r2～U(0,1);c1、c2为加速度常数;w为惯性权重。
粒子群算法的流程如下:
(1)初始化m个粒子,随机设定粒子的位置和速度。
(2)计算每个粒子的适应度。
(3)对每个粒子,将其适应值与其经历过的最好位置pp的适应值进行比较,若较好,则将该粒子作为当前的最好位置。
(4)对每个粒子,将其适应值与全局所经历过的最好位置pg的适应值进行比较,若较好,则将该粒子作为当前的全局最好位置。
(5)根据式(1)、式(2)对粒子的速度和位置进行更新。
(6)判断是否满足终止条件(如足够好的适应值或最大代数),如果不满足则返回步骤(2)。
3.3优化过程与结果分析
应用粒子群优化算法对实验结果进行多目标优化,在粒子群优化算法中设初始化随机产生25个粒子,加速度常数c1、c2均为2,惯性权重w为1,经过260次迭代后优化进程收敛。通风机全压及效率的寻优过程如图9所示。
图10为对应于Pareto解集的通风机全压与效率的关系图。由图10可知:要使通风机的全压更高,那么通风机效率就会相应地降低,反之亦然。同时进一步看到,Pareto解集中各点所对应的全压和效率的变化范围都非常小,使得各点都可以作为以通风机全压及效率为目标的优化解。
为了尽可能地节省制造扩散器所用的钢材,先计算出Pareto解集中各优化解所对应的扩散器的表面积,最后以最小的扩散器表面积为最终的优化解,得出最终优化解为x1=-0.1692,x2=-1,x3=1。此时,通风机全压为3902.16Pa,效率为81.89%,转化为扩散器的实际设计参数,即R1=188.98mm,R2=1127.5mm,L1=4082.5mm。应用计算流体力学软件FLUENT对优化后的通风机进行三维流场模拟,并将模拟结果与原始通风机全压及效率进行对比,优化后的通风机全压比原始通风机全压提高了27.1Pa,通风机效率比原始通风机效率提高了0.76%。优化结果表明:优化后的扩散器芯筒尾部半径R1的设计尺寸稍微变小,扩散器出口截面半径R2的设计尺寸减小了59.5mm,扩散器长度L1的设计尺寸增加了282.5mm。
图11为优化前后的矿用对旋式轴流通风机扩散器出口处全压沿叶高的分布。由图11可见,通风机出口处全压的最大压力点主要集中在扩散器出口中部附近,优化后的扩散器的最大压力值有所增大,这主要是由R2减小所致。
4 结语
通过三维流场模拟技术,利用实验设计方法揭示了矿用对旋式轴流通风机扩散器的结构设计参数与通风机全压及效率之间的关系。以通风机全压及效率为优化目标,以扩散器3个设计参数为设计变量,应用粒子群优化算法对设计变量进行多目标优化。结果表明,优化后通风机全压比原始通风机全压提高了27.1Pa,通风机效率比原始通风机效率提高了0.76%。
参考文献
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矿用轴流风机 篇3
1 支持向量机基本原理
支持向量机是在统计学习理论基础之上发展起来的先进通用学习方法[6], 它在解决小样本和非线性等问题中具有许多优势, 被广泛应用到故障诊断技术中。
假设一个分类样本集为P:P={xi, yi}, i=1, 2, ……, n, xi∈Rd, y∈ (-1, +1) , xi为输入向量, yi为输出向量, n为样本数。为了区分不同的样本, 需要找到一个超平面把样本集进行准确归类。分类面方程为:
式中, ω为权值向量;b表示分类阈值。
归一化分类面方程, 使所有样本集满足约束条件:
同时, 为了使分类间隔最大化, 则限定约束条件‖ω‖/2最小, 即:
引入Lagrange优化方法, 把最优分类面问题转化成对偶问题, 整理得到最优分类函数:
式中, a*和b*分别表示最优的拉格朗日乘子与阈值。通过对最优分类函数的分析就能够达到对样本进行分类的目的。
假如是一个不能满足线性可分的样本问题, 则在约束条件中引入松弛变量ζi, 通过添加惩罚函数来优化目标函数解决问题。目标函数变为以下的约束优化问题:
式中, C为惩罚因子。求解式 (5) 的最小值, 就可以得到广义的最优分类面。
如果待分类的样本为非线性时, 可以把样本空间经过非线性变换处理以后, 转化成一个高维空间的线性问题, 然后再按照线性问题处理。在转化时通常采用核函数K (xi, xj) =φ (xi) φ (xj) , 通过函数代替空间中的内积计算实现非线性样本的线性分类。相应的分类决策函数为:
2 通风机故障诊断模型的建立
2.1 通风机故障诊断机理
矿井通风机在发生故障时, 会伴随着异常振动情况的产生, 因此振动信号的特征频率就可以反映出通风机的运行状态。本文把振动特征频率作为样本数据, 通过对特征频率的分析进行故障分类。矿井通风机的常见故障包括:转子不平衡、轴不对中、机座松动、转子径向摩擦、喘振和油膜涡动等。故障类型和特征频率之间的关系见表1。
2.2 支持向量机的参数选取
在使用支持向量机对通风机进行故障诊断时, 由于样本数据都是非线性的, 需要经过线性处理以后才能得到准确的诊断结果。核函数可以将非线性的故障数据映射到高维空间, 从而增强其线性学习计算能力。在本文中采用径向基核函数:
采用径向基核函数的支持向量机系统, 惩罚因子C和核参数g对支持向量机的分类精度有重要的影响。惩罚因子C用来实现对错分样本的惩罚程度的控制。C值越大, 则训练样本的分类越精确, 但会导致算法分类过于复杂;C值过小, 则导致样本分类精度不足。核参数g通过影响映射函数来决定样本数据空间分布的复杂程度。因此, 对参数对 (C, g) 的选取, 就成了决定支持向量机诊断性能的关键因素。目前, 支持向量机常用的参数寻优方法有遗传算法 (GA) 、混沌优化算法、网格搜索算法 (GS) 等, 本文选用网格搜索算法进行参数寻优。网格搜索法的优点是能够同时对多个参数进行寻优, 同时可以使各组参数相互解耦, 可以并行计算, 运行效率比较高[7]。
2.3 多分类诊断模型
支持向量机是一种二分类问题的处理方法, 而对于通风机的故障诊断来说是多类分类问题, 各种故障类型之间都需要明确区分, 因此需要在支持向量机二分类的基础上建立多类分类模型。目前, 较常用的多类分类方法有“一对一”、“一对多”、“二叉树”等[8,9]。在本文中采用二叉树多类分类方法, 这种分类方法的优点在于大大减少了样本的重复计算分类, 提高了分类效率。其基本原则就是:对于一个有K种分类的问题, 把其中的K-1类作为一个大类, 与剩下的一类构造成一个二值分类器。然后在所选的K-1类中, 再把其中的K-2类作为一个大类, 与剩下的一类构造成另外一个二值分类器。以此类推, 共需要K-1个分类器, 就可以对所有的样本进行分类。以四分类问题为例, 对样本的分类流程加以说明 (图1) 。
分类模型建立以后, 在对样本数据进行分类时首先把数据输入SVM1分类器, 如果样本属于类1, 则直接输出;如果不属于, 则把数据输入SVM2分类器。依照同样的方法进行分类, 直到把所有的样本分类完毕。
3 故障诊断实例
在故障诊断之前, 需要对采集到的振动信号进行处理, 利用小波变换滤去不需要的干扰信号[10]。经过归一化处理后, 对样本数据进行训练验证, 建立故障诊断模型。本文用搜取的62例已知故障类型的样本数据进行训练, 最后再用另外的25例数据测试诊断模型的效果。样本数据分布情况见表2。
文中给出SVM1的参数寻优方法, 其他分类器的可以用相同方法进行参数寻优。对SVM1设定C的搜索范围[2-8, 28], g的搜索范围[2-8, 28], 搜索步长为0.4。用网格搜索和交叉验证相结合的方法进行训练验证。 (C, g) 组合寻优结果如图2所示。
为了直观了解文中所述方法的诊断效果, 将同样的训练集和测试集数据用BP神经网络算法进行训练测试, 再和文中所采用方法的测试结果进行对比, 其结果见表3。
4 结语
将SVM方法用于矿用风机的故障诊断, 利用网格搜索法对支持向量机进行参数寻优, 用二叉树多类分类方法对故障类型进行分类, 建立诊断模型。结果表明, 本文采用的方法十分有效, 无论是在诊断精度还是在诊断效率上都有较好的效果。该方法也可以推广到其他设备的故障诊断上。
摘要：鉴于支持向量机在小样本数据情况下能够获得较大推广能力的特点, 提出将支持向量机应用到矿用通风机的故障诊断中。利用网格搜索法对支持向量机进行参数寻优, 通过多类分类方法对通风机故障进行分类, 建立故障诊断模型。试验结果显示, 该方法准确率较高, 具有很好的适用性。
关键词：支持向量机,网格搜索法,矿用通风机,故障诊断
参考文献
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矿用轴流风机 篇4
通风机以及电机是煤矿通风的关键设备, 对其加强维护管理, 进行在线状态监测和故障的早期诊断, 不但可以提高设备的利用率, 延长其工作寿命, 而且还能防止重大事故的发生, 具有较大的经济效益和社会效益。矿井通风系统是否合理, 对整个矿井通风状况的好坏和保障矿井安全生产起着重要的作用。目前不少煤矿采用温度计和压力计、人工定时读表、记录的方式监测温度、风压, 至于风量、风速还是依靠手工计算, 不但非常麻烦, 而且很难及时掌握通风状况参数。为此, 笔者设计了一套基于SLC500 PLC的矿用主通风机自动监控系统, 该系统能通过实时监测矿井风压、风量、通风机功率、轴承温度、电机绕组温度以及通风机开停、反风等状态信号及时发现矿井通风异常情况, 发出报警信息, 并传送至信息管理中心, 按相关预案使隐患得到及时有效处理。该系统还能根据实时监测到的风量不足或风机停止运转信号, 通过煤矿端监控系统给出报警信息, 并根据预先设定切断相关区域的动力电源, 强制撤出人员, 停止生产作业。该系统软件还具有矿井需求风量核定计算功能, 便于煤矿对矿井通风风量实施动态管理。
1 系统组成及功能
基于SLC500 PLC的矿用主通风机自动监控系统主要实现风机的自动启动、停止及在线监测和保护功能。该系统采用工控界最为成熟和典型的PLC+上位机组态监控模式, 由2台PLC控制柜、2套工控机监控站、1套UPS装置以及若干压力、温度传感器组成, 如图1所示。采用2套PLC作为控制器, 分别控制2套互为备用的风机。通过工业交换机构成工业以太局域网, 任一监控工作站的组态软件可以同时采集2个PLC的数据信息、监控2台风机的运行状态, 同时可以将系统与公司控制网络联网, 实现风机的远程监控, 为矿井生产和人员安全提供了重要保证。
(1) PLC控制器
PLC控制器采用世界著名自动化公司Allen-Bradley的SLC500型PLC, CPU为LM551, 具有以太网接口, 可以直接与上位机通信。采用数字量输入模块采集现场的开关量信息, 包括高压开关柜断路器合/分闸、行程开关、接触器闭合等信号, 开关量输出模块负责控制高压合闸、风门启/闭、润滑站和液压站的启/停、冷却水泵的运行/停止;温度测量模块负责监测电动机定子温度、电机轴承温度、风机轴承温度及空气温度;模拟量输入模块负责监测进风口压力、风机叶片压力及出风口压力等, 对风机的喘振、振动信号进行检测并实现保护;模拟量输出模块负责控制液压站的油压, 对风门电动执行机构、叶片调节机构和制动机构进行控制, 并可检测其位置信号, 调节风机叶片的角度, 实现风量的动态调节;实现风机的主轴承温度、电机定子的三相绕组温度、轴端轴承温度信号的监测与保护;对风机配套的润滑、液压泵站泵电机、加热器进行控制, 并对相关的油温、油位、压力、流量信号进行监测和保护;控制柜面板设置自动、手动和检修3种工作方式选择开关, 正、反转运行2种通风方式选择开关。
(2) 监控工作站
监控工作站系统主要由工业控制计算机、打印机及路由器等组成。工业控制计算机作为上位机, 安装有监控组态软件, 是人机接口界面, 打印机负责报警信息和报表的打印, 路由器提供集成网络接口。上位机主要有以下功能:
① 实时显示、记录所有的监测数据, 绘制历史曲线, 并提供历史数据的查询;
② 根据监测到的负压、差压、温度信号, 计算风机的风量, 绘制实时风机特性曲线、功率风量曲线、综合效率曲线, 并提供历史数据查询功能;
③ 实时显示系统的报警信息, 实时报警打印, 并提供报警历史信息查询功能;
④ 提供运行风机故障停机时, 备用风机自动投入的功能;具有故障/时间自动倒机功能, 运行风机出现跳闸故障后或达到设定的运行时间时, 可自动切换到备用风机;
⑤ 可与高压综合保护装置通信, 实现对高压开关柜的遥测、遥控、遥信、一次回路及故障状态监视、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电压、电流数据监测;
⑥ 具有联网功能, 可接入工业以太网, 具有数据远传功能, 易于集成到矿井自动化系统中, 实现调度中心远程控制。
(3) 传感器
传感器由气压传感器、温度传感器及振动传感器组成。气压传感器主要用于测量风机入口压力、出口压力和叶片压力, 用于计算流量以及监测通风状况, 防止发生喘振。温度传感器采用PT100, 主要用于测量风机轴承温度、电动机轴承温度以及定子温度, 设置报警极限和跳闸极限, 用于保护风机及电动机。振动传感器用于测量风机主轴的振动, 以免风机振动过大受损。
(4) UPS
不间断电源UPS主要用于为控制柜、工控机提供后备电源, 防止由于停电后突然上电造成对风机和人身的伤害。
2 控制程序
控制程序采用SLC500 PLC的编程软件RSlogix500编写, 然后下载到PLC中, 由PLC执行程序, 控制程序流程如图2所示。
控制系统程序具有自动、检修和手动3种工作方式, 采用哪种工作方式根据现场情况决定。
(1) 自动方式是指系统由自动控制程序控制风机系统的启动/运行, 在满足启动条件的情况下, 操作人员通过上位机启动按钮或控制柜的启动、停止按钮发出启动或停止命令, 系统按照设定的程序依次启动相关的设备, 最后叶片角度达到设定值, 启动完成。启动和运行过程无需人工参与。
(2) 检修方式下系统的启/停方式与自动方式一样, 用于检修后风机的性能测试, 只是运行时风门关闭。
(3) 手动方式用于不满足启动条件、但对风机运行影响不太重要的设备或系统, 可以不参加启动, 运行时, 只需启动必要的设备。
3 上位机软件
上位机人机界面程序采用罗克韦尔公司的组态软件RSVIEW32开发。通过以太网采集下位机 (PLC) 的数据, 进行处理、存储、报警和显示, 然后将控制命令传送到PLC控制系统中运行。上位机软件主要由以下几部分组成, 如图3所示。
(1) 监控画面。
监控画面主要是实时显示相关的监控参数, 包括运行状态、轴承温度、电机定子温度、气压等。
(2) 数据曲线。
主要显示温度、气压历史数据及显示风机的工作特性曲线。
(3) 报警信息。
显示相关的报价信息, 包括温度报警、停机报警信息等。
(4) 数据报表。
生成相应的日报表。
4 结语
本文利用AB公司的SLC500 PLC 控制器设计了一套矿用主通风机自动监控系统, 该系统具有运行安全可靠、自动化程度高等特点, 具有检测、超限控制、报警、打印等功能, 提高了系统的可靠性, 减少了人为事故的发生, 为减人增效提供了条件, 为煤矿数字化矿井的实现打下了坚实的基础。主通风机自动监控系统的应用, 大大提高了风机运行的可靠性, 实现了风机运行自动化和运行状态的远程动态监控, 可及时发现和制止随意停开主通风机的现象, 为各级管理部门的决策提供依据。该系统还可根据需要作进一步的改进, 提供控制系统的热备功能。
该系统已在淮南矿业集团多个矿井应用, 运行稳定, 使用情况良好, 得到了用户的肯定和好评。
摘要：文章设计了一种基于SLC500 PLC控制器的矿用主通风机自动监控系统, 介绍了该系统的组成及功能、控制程序的设计、上位机软件设计。该系统采用2套PLC作为控制器, 分别控制互为备用的风机状态, 实现了风机的远程监控。
关键词：煤矿,通风机,监控,SLC500PLC
参考文献
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