【正文】 的評價(jià)和分級這些都是當(dāng)前該研究領(lǐng)域的前沿課題。 課題的主要研究內(nèi)容煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦礦井安全生產(chǎn)的重要組成部分，煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)能否正常工作與礦井內(nèi)工作環(huán)境條件、生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)密切相關(guān)。隨著我國政府對各行各業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，尤其對煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高，對煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能降耗等勢在必行。目前煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，大多仍采用繼電、接觸器控制系統(tǒng)，但這種控制系統(tǒng)存在著體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多、接線復(fù)雜、可靠性低、排除故障困難等很多的缺陷；如果工作通風(fēng)機(jī)不采用變頻控制，那么礦井通風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法，只能依靠兩個(gè)垂直風(fēng)門提起的高度，和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)扇葉的數(shù)量和角度。那么主通風(fēng)機(jī)就會(huì)一直高速運(yùn)行，備用通風(fēng)機(jī)停止，不能輪休工作，易使工作通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生故障，降低使用壽命，也會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)。針對這一系列問題，隨著電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，PLC 和變頻器正成為通用、廉價(jià)和性能可靠的控制和驅(qū)動(dòng)設(shè)備，得到廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)將 PLC與變頻器有機(jī)地結(jié)合起來，采用以礦井氣壓壓力為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)工作過程和運(yùn)轉(zhuǎn)速度的有效控制，使礦井中用的離心通風(fēng)機(jī)通風(fēng)高效、安全，達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。由 PLC控制的變頻調(diào)速離心風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)，具有較高的可靠性和較好的節(jié)能效果，易于組建成整體的自控系統(tǒng)，很方便地實(shí)現(xiàn)各種控制切換和遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC 控制系統(tǒng)還具有對驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)、故障報(bào)警、機(jī)械故障報(bào)警和瓦斯?jié)舛葦嚯姷裙δ芴攸c(diǎn)，為煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造提供一條新途徑。因此本論文以礦井對旋軸流風(fēng)機(jī)為研究對象，以西門子 S7200 可編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運(yùn)用溫度，壓力，振動(dòng)等傳感器和電量采集單元對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及各種電量參數(shù)進(jìn)行檢測。同時(shí)，利用 PLC 和上位機(jī)之間的通信實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的在線監(jiān)控。本論文還討論了利用變頻器控制通風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的高效節(jié)能運(yùn)行。具體地說，本論文的主要研究內(nèi)容如下：1 實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負(fù)壓、流量、軸承振動(dòng)、軸承溫度、定子溫度、電壓、電流、功率、效率等。2 控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)變頻運(yùn)行的切換，使風(fēng)機(jī)處于工頻或變頻運(yùn)行狀態(tài)。在變頻運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)能根據(jù)壓力傳感器的模擬量輸入，經(jīng) PLC 內(nèi)部運(yùn)算，計(jì)算出系統(tǒng)滿足安全生產(chǎn)所需的風(fēng)量大小對應(yīng)的變頻器輸入電壓值，經(jīng)擴(kuò)展模塊模擬量輸出控制變頻器自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。3 本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警功能，如風(fēng)機(jī)定子，軸承溫度超限，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常報(bào)警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警，及時(shí)處理的功能。4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 PLC 及擴(kuò)展模塊接線圖。5 用 STEP7Micro/WIN 編程軟件編出 PLC 梯形圖。6 用 PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成對 PLC 通信網(wǎng)絡(luò)的組建。7 模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，用組態(tài)王軟件繪制煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面和PLC 控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面。并生成性能參數(shù)實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢曲線，監(jiān)測數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報(bào)表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、風(fēng)壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)報(bào)表功能。2 通風(fēng)系統(tǒng)及主扇風(fēng)機(jī)控制方案本論文設(shè)計(jì)的礦井主扇風(fēng)機(jī)的控制主要是對風(fēng)壓、風(fēng)量及瓦斯?jié)舛鹊牡恼{(diào)節(jié)和控制兩部分。風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對風(fēng)機(jī)風(fēng)速的調(diào)節(jié)，據(jù)所需風(fēng)量和風(fēng)壓大小通過變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在節(jié)能和提高風(fēng)機(jī)效率方面具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)。本控制系統(tǒng)具有離心通風(fēng)機(jī)組的啟動(dòng)、互鎖和過熱保護(hù)等功能。與常規(guī)繼電器實(shí)施的通風(fēng)系統(tǒng)相比，PLC 系統(tǒng)具有故障率低、可靠性高、接線簡單、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，PLC 的控制功能使通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，減輕了崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。PLC 和變頻器與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，不僅節(jié)約了電能，而且還提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。為滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）本系統(tǒng)提供手動(dòng)／自動(dòng)兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。（2）模擬量壓力輸入經(jīng) PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器。（3）在自動(dòng)方式下，當(dāng)井下壓力低于設(shè)定壓力下限時(shí)，兩組風(fēng)機(jī)將同時(shí)投入工作運(yùn)行，同時(shí)并發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)。（4）模擬量瓦斯輸入，當(dāng)?shù)V井瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定報(bào)警上限時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定斷電上限時(shí)，PLC 將切斷工作面和風(fēng)機(jī)組電源，防止瓦斯爆炸。（5）運(yùn)用溫度傳感器測定風(fēng)機(jī)組定子溫度或軸承溫度，當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定報(bào)警上線時(shí)，發(fā)出指示和報(bào)警信號(hào)。當(dāng)定子溫度或軸承溫度超過設(shè)定風(fēng)機(jī)組轉(zhuǎn)換溫度界線時(shí)，PLC 將切斷指示和報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)切斷當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)機(jī)組，在自動(dòng)方式下并能自動(dòng)接入另一臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行，若在手動(dòng)方式下，工作人員手動(dòng)切換。（6）為防止離心風(fēng)機(jī)的疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后都會(huì)自動(dòng)切換至另一臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行。下圖是通風(fēng)系統(tǒng)原理框圖。圖 通風(fēng)系統(tǒng)原理框圖 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本通風(fēng)控制系統(tǒng)主要由 2 臺(tái)離心風(fēng)機(jī)組成，每臺(tái)離心風(fēng)機(jī)有兩臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一組扇片，兩組扇片是對旋的，一組用于吸風(fēng)，一組為增加風(fēng)速，對井下進(jìn)行供風(fēng)。根據(jù)井下用風(fēng)量的不同，采用不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)。本設(shè)計(jì)以風(fēng)機(jī) 2 45 kW 為例，選用一臺(tái) S7—200 PLC、空氣壓力傳感器和變頻器等組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中還包括接觸器、中間繼電器、熱繼電器、礦用防爆型磁力啟動(dòng)器、斷路器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)和 PLC的有效保護(hù)，以及對電機(jī)的切換控制。下圖為通風(fēng)系統(tǒng)的方案圖。圖 通風(fēng)控制系統(tǒng)方案圖本 PLC控制系統(tǒng)具有對通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行，進(jìn)行監(jiān)控、聯(lián)鎖和過熱保護(hù)等功能。PLC 與空氣壓力變送器配合使用，使系統(tǒng)控制的安全性、可靠性大大提高，也使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行的故障率大大降低，提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。為滿足煤礦礦井通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)控制的要求，設(shè)計(jì)如下的控制方案：本系統(tǒng)提供手動(dòng) /自動(dòng)兩種工作模式，具有現(xiàn)場控制方式、狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。在手動(dòng)方式下，通風(fēng)機(jī)通過開關(guān)進(jìn)行控制，不受礦井內(nèi)氣壓的影響。為防止通風(fēng)機(jī)疲勞運(yùn)行，在任何狀態(tài)下風(fēng)機(jī)在累計(jì)運(yùn)行設(shè)定時(shí)間后要切換至另一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。A 組離心通風(fēng)機(jī)與 B組離心通風(fēng)機(jī)可由二位開關(guān)轉(zhuǎn)換。循環(huán)次數(shù)及定時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要隨機(jī)設(shè)定。報(bào)警信號(hào)均為聲光形式，聲報(bào)警 (電笛 )可用按鈕解除 ,報(bào)警指示在故障排除后自動(dòng)消失。在自動(dòng)方式下，利用遠(yuǎn)傳空氣壓力傳感器檢測礦井內(nèi)的氣壓信號(hào)，用變送器將現(xiàn)場信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (如 4～20 mA 直流電流信號(hào)、0 ～5 V 直流電壓信號(hào)等 )，送入 A /D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入 PLC，PLC 將檢測到的氣壓值與設(shè)定的氣壓值進(jìn)行比較和處理，輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)工作。當(dāng)?shù)V井內(nèi)的氣壓在一個(gè)大氣壓或在設(shè)定的某個(gè)大氣壓力數(shù)值以上，工作離心通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)循環(huán)工作；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事故，礦井內(nèi)的氣壓低于設(shè)定的某個(gè)大氣壓力數(shù)值，工作離心通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)不再循環(huán)工作，并自動(dòng)切換為同時(shí)工作，加大對礦井內(nèi)的通風(fēng)量，直至礦井內(nèi)的氣壓升至設(shè)定的大氣壓力數(shù)值以上，工作通風(fēng)機(jī)與備用離心通風(fēng)機(jī)恢復(fù)循環(huán)工作。在有瓦斯的礦井供風(fēng)系統(tǒng)中，礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳈z測瓦斯?jié)舛?，用變送器將現(xiàn)場信號(hào)變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入 A /D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后送入 PLC，同樣 PLC將檢測到的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥谠O(shè)定數(shù)值后，PLC輸出信號(hào)控制通風(fēng)機(jī)停止工作，并輸出信號(hào)自動(dòng)切斷井下的電源，滿足風(fēng)電聯(lián)鎖要求，以免電子火花點(diǎn)著瓦斯，防止瓦斯爆炸事故發(fā)生。 礦井主扇風(fēng)機(jī)的控制方案 礦井主扇風(fēng)機(jī)概述地面主扇風(fēng)機(jī)其整體性好，并且采用內(nèi)置防爆電機(jī)拖動(dòng),不受外界干擾。風(fēng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：本設(shè)計(jì)采用電機(jī)與葉輪直聯(lián)的方法，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，改變了當(dāng)前煤礦抽出式軸流風(fēng)機(jī)全部采用皮帶輪傳動(dòng)或長軸傳動(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使維修和操作方便。本設(shè)計(jì)配套電機(jī)為 YB系列的 YBFe派生系列，隔爆型三相異步電機(jī)。電機(jī)置于全封閉型，并具有一定耐壓強(qiáng)度的密閉散熱罩中并于外界非瓦斯氣相通。使電機(jī)始終處于無瓦斯空氣之中運(yùn)行，起到了雙重隔爆效果。風(fēng)機(jī)與擴(kuò)散器之間設(shè)置后導(dǎo)葉，以提高靜壓效率，使得節(jié)能效果顯著。與目前使用的局扇群相比，可節(jié)電六倍，與離心式風(fēng)機(jī)相比可節(jié)電 40%。 該機(jī)可以反轉(zhuǎn)反風(fēng)，不必另設(shè)反風(fēng)道，具有節(jié)約基建投資和反風(fēng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。 葉輪的葉片安裝角度可以調(diào)整，其范圍為：30 度、33 度、36 度、39 度、42 度五個(gè)角度級。在使用同一規(guī)格風(fēng)機(jī)中，可根據(jù)生產(chǎn)擴(kuò)大的要求來調(diào)整葉片安裝角度。 該機(jī)配置了防止摩擦火花裝置，確保了整機(jī)安全防爆性能。 該機(jī)采用特殊設(shè)計(jì)，性能曲線無駝峰，在任何網(wǎng)絡(luò)阻力情況下，均能穩(wěn)定運(yùn)行。 礦井主扇風(fēng)機(jī)的供電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的供電系統(tǒng)采用了室外箱式一體化結(jié)構(gòu)。按功能劃分為高壓配電室，低壓配電室，變壓器室。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)備：（1）高壓電機(jī)：高壓電機(jī)：每臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝有兩臺(tái) 6kv高壓異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)容量為 315kW。電機(jī)安裝了三相定子和前后軸承溫度傳感器。（2）變壓器：為了保證附屬設(shè)備的可靠工作，安裝了兩臺(tái) 50kva，為低壓柜供電。變壓器安裝了溫度監(jiān)控器，監(jiān)控 3相溫度，當(dāng)溫度超限能自動(dòng)啟停風(fēng)機(jī)降溫。（3）進(jìn)線柜：包括兩臺(tái)進(jìn)線柜，為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的兩臺(tái)進(jìn)線開關(guān)。（4）聯(lián)絡(luò)柜：實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的母線聯(lián)絡(luò)。（5）換向柜：兩臺(tái)換向柜，由接觸器組成。主要實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。（6）箱變房：采用一體化設(shè)計(jì)，外觀整潔大方，按功能劃分為高壓配電室，低壓配電室，變壓器室，PLC 控制室。3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能 PLC 可編程控制器部分 PLC 概述PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987年國際電工委員會(huì)（International Electrical Committee）頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC做了如下定義：PLC英文全稱 Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，PLC 是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說有半導(dǎo)體的地方就有 PLC。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。（1）CPU 的構(gòu)成CPU是 PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC至少有一個(gè) CPU，它按 PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和 PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC不可缺少的組成單元。CPU速度和內(nèi)存容量是 PLC的重要參數(shù)，它們決定著 PLC的工作速度，I/O 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（2）I/O 模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O 模塊集成了 PLC的 I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O 分為開關(guān)量輸入（DI） ，開關(guān)量輸出（DO） ，模擬量輸入（AI） ，模擬量輸出（AO）等模塊。常用的 I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（420mA,020mA） 、電壓型（010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit，14bit，16bit 等。除了上述通用 I/O外，還有特殊 I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈