【正文】 統(tǒng)均采用開放系統(tǒng)互連的標(biāo)準(zhǔn)模型、通信協(xié)議或規(guī)程，支持多種互連標(biāo)準(zhǔn)。任何集散測控系統(tǒng)，只要遵循這些規(guī)程，就能夠與其它系統(tǒng)或計算機(jī)系統(tǒng)相連，方便地組成多節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)共享。 3 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)智能化 主要是指傳感器的智能化，如不斷 推出的具有自動校正、靈敏度自動補(bǔ)償、非線性自動補(bǔ)償?shù)裙δ艿闹悄軅鞲衅鳌? 4 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件發(fā)展趨勢 包括操作系統(tǒng)的實(shí)時多任務(wù)化，控制軟件的組態(tài)化、智能化和圖形化，軟件系統(tǒng)的開放化、標(biāo)準(zhǔn)化。 5 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)向綜合化方向發(fā)展 全礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)是一種可用于環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、皮帶運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、礦山壓力、煤與瓦斯突出、自燃發(fā)火、大型機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況等多方面綜合監(jiān)控的系統(tǒng)，既可用于某一單方面的監(jiān)控，又可實(shí)現(xiàn)全面綜合監(jiān)控。 6 發(fā)展專家診斷、專家決策系統(tǒng)軟件 我國 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件目前停留在對被監(jiān)測量的實(shí)時采集、存儲、超限報警及斷電、以曲線、圖形和報表形式輸出的水平，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的最基本處理，在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)正在開發(fā)專家系統(tǒng)和礦井安全預(yù)警系統(tǒng)。在礦難發(fā)生前就能對各種安全隱患進(jìn)行預(yù)測，使安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。 本論文的主要工作和安排 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，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)信號采集與實(shí)時監(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、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)手動和自動變頻運(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，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調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3 本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種報警 功能，如風(fēng)機(jī)定子，軸承溫度超限，電動機(jī)振動異常報警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時報警，及時處理的功能。 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)時曲線和歷史趨勢曲線，監(jiān)測數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量、風(fēng)壓等監(jiān)控量的趨勢 曲線、超限報警和數(shù)據(jù)報表功能。 2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能 本論文設(shè)計的礦井主扇風(fēng)機(jī)的監(jiān)控包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)兩部分。 本系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測以工控領(lǐng)域的可編程控制器 PLC 和組態(tài)軟件為核心，以標(biāo)準(zhǔn)控制柜作為信號采集和控制輸出裝置 ,輔以傳感器、中間繼電器和其它輔助設(shè)備構(gòu)建整個監(jiān)控系統(tǒng)。通過的煤礦主通風(fēng)機(jī)的計算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的計算機(jī)實(shí)時監(jiān)控以及通風(fēng)機(jī)房與工業(yè)以太網(wǎng)和煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息共享。 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)，還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動和保護(hù)等要求。 礦井主扇風(fēng)機(jī) 礦井主扇風(fēng)機(jī)概述 礦井通風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)來分，有離心通風(fēng)機(jī)和軸流通風(fēng)機(jī)，目前礦上使用最多的是軸流通風(fēng)機(jī)。軸流通風(fēng)機(jī)是氣體沿軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片通道，由葉片與氣體的相互作用，使氣體被壓縮并沿軸向排出的通風(fēng)機(jī)。在兩級的軸流通風(fēng)機(jī)中，有一種性能比較好的軸流通風(fēng)機(jī)―對旋式軸流通風(fēng)機(jī)，它的一個葉輪裝在另一個葉輪的后面，同時兩個葉輪的旋轉(zhuǎn)方向彼此相反。它具有結(jié)構(gòu)尺寸短，效率高，反風(fēng)性能好的特點(diǎn)。目前礦井中主 扇風(fēng)機(jī)大部分采用對旋式軸流風(fēng)機(jī)。 本論文中采用某實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)，其技術(shù)參數(shù)如下： 風(fēng)機(jī)基本性能參數(shù) 轉(zhuǎn)速（ r/min） 風(fēng)量（ /h） 全壓（ Pa） 效率（ %） 直徑（ mm） 2900 54009000 12002400 400 配用電機(jī)基本參數(shù) 型號 轉(zhuǎn)速（ r/min） 功率（ Kw） 額定電壓（ V） 額定電流（ A） Y112M2 2900 4 2 380 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 單位時間內(nèi)通風(fēng)機(jī)吸入的氣體的體積稱為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以 Q 表示，單位為m/ 在通 風(fēng)中所稱的風(fēng)壓是指單位體積的空氣所具有的能量，按其類型可分為靜壓、動壓和全壓，其單位為 Pa。 1 靜壓 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中單位體積流體所具有的壓力能量，即為氣體的靜壓力，以表示，在實(shí)際的通風(fēng)網(wǎng)路中，通風(fēng)截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意兩地之間氣體的位能之差，因此在緩變流條件下，同一過流截面上個點(diǎn)的靜壓值可以認(rèn)為相等。 2 動壓 指單位體積的流體所具有的動能，攜帶該能量的氣體微團(tuán)被滯止后表現(xiàn)的壓力，故稱為動壓，其大小用下式計算： 式中： ――氣體中某點(diǎn)的動壓， Pa； ――動壓測量處的空氣密度， kg/； ― ―氣體的流速， m/s 3 全壓 氣流中某一點(diǎn)的滯止壓力，亦是該點(diǎn)靜壓和動壓的代數(shù)和，以表示： 3 功率 通風(fēng)機(jī)的功率分為軸功率和有效功率。軸功率是指原動機(jī)傳遞給通風(fēng)機(jī)軸上的功率，有功功率是指風(fēng)機(jī)在單位時間內(nèi)對氣體做的有用功，通風(fēng)機(jī)的全壓有效功率用下式計算 : ――通風(fēng)機(jī)全壓有效功率， kW； ――通風(fēng)機(jī)的全壓， Pa； ――通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量， m/。 若通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓用靜壓表示，則通風(fēng)機(jī)靜壓有效功率可用下式計算 : 式中 : ――通風(fēng)機(jī)靜壓有效功率， kW。 4 效率 效率是全壓有效功率或靜壓有效功率與軸功率的比值，前 者稱為全壓效率，后者稱為靜壓效率，計算公式如下： 式中 ,――通風(fēng)機(jī)的全壓效率和靜壓效率； N――通風(fēng)機(jī)的軸功率， kW。 5 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速是指通風(fēng)機(jī)在單位時間內(nèi)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)，以 n 表示，單位為 r/min。 風(fēng)機(jī)的特性曲線 葉輪下游側(cè)氣流將由內(nèi)向外朝直徑較大處偏斜；反之，氣流將朝較小處偏轉(zhuǎn)，情況嚴(yán)重時，會發(fā)生二次回流現(xiàn)象。軸流式風(fēng)機(jī)的性能曲線如圖 1 所示。 － H 曲線大都屬于陡降型曲線 流量偏小時，氣流將部分地發(fā)生二次回流現(xiàn)象，回流的液體被葉輪二次加壓，是流量較小的情況下，壓頭上升的緣故。 － N 曲線 在流量為零時最大 當(dāng)流量增大時， H 下降很快，軸功率也有所下降，這樣往往使軸流式風(fēng)機(jī)在零流量下啟動時的軸功率為最大。因此與離心式風(fēng)機(jī)相比，軸流式風(fēng)機(jī)應(yīng)當(dāng)在管路暢通下開動，盡管如此當(dāng)啟動與停車時，總是會經(jīng)過最低流量的，所以軸流式風(fēng)機(jī)所配用電機(jī)要有足夠的裕量。 － n 曲線在最高效率點(diǎn)附近迅速下降 流量不在設(shè)計工況下的氣流情況迅速變壞，以至效率下降很快，所以軸流式風(fēng)機(jī)的最佳工作范圍較窄，一般都沒有調(diào)節(jié)閥門來調(diào)節(jié)流量。因此， Q－ H 曲線和 Q－ N 曲線都是在流量從小到大增加時先下降，再上升，然后再下降，有兩個拐點(diǎn)，正常 工作工況點(diǎn)應(yīng)選在 Q－ H 曲線的二次下降段，也就是駝峰點(diǎn)的右側(cè)，它可近似用三次方程來擬合，但在整個趨勢中它和 QH 曲線的擬合方法一樣，選用有兩個拐點(diǎn)的三次方程，能很好的反映風(fēng)機(jī)工作情況的性能。 Q－ n 曲線在整個流量變化過程中是先增大后減少，為此可用二次方程來擬合它的形狀。一般工作的工況點(diǎn)選在效率大于 60%的曲線段。 至此，由 Q－ H 曲線和 Q－ n 曲線也就決定了軸流式風(fēng)機(jī)的正常工作范圍，即在 Q－ H 曲線駝峰點(diǎn)右側(cè)和 Q 門曲線效率大于 60%的公共部分。同樣是由于在風(fēng)量較小的情況下，風(fēng)機(jī)二次回流現(xiàn)象的影響，使得到某一流量時，在 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大和減小的回復(fù)，這也就是風(fēng)機(jī)喘振點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)性能測試過程中，一般由此點(diǎn)開始或到此點(diǎn)結(jié)束，所以大多數(shù)的風(fēng)機(jī)性能曲線的流量不是從零開始。 圖 1 軸流式風(fēng)機(jī)的性能曲線 風(fēng)量的調(diào)節(jié)方法 通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)是為了改變通風(fēng)機(jī)的流量，以滿足實(shí)際工作的需要，故通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)又稱流量調(diào)節(jié)。反映在通風(fēng)機(jī)性能曲線圖上就是改變風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，流量調(diào)節(jié)主要有兩個目的：第一，滿足礦井用風(fēng)量的要求，第二，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。主要的調(diào)節(jié)方法或改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況有兩大類：改變管網(wǎng)性能曲線和改變通風(fēng)機(jī)性能曲線。 改變管網(wǎng)曲線主要是在通風(fēng) 機(jī)的管路上設(shè)置節(jié)流閥或風(fēng)門來調(diào)節(jié)流量，風(fēng)門調(diào)節(jié)是利用風(fēng)門來增大風(fēng)道阻力，以較少風(fēng)量，這種調(diào)節(jié)最不經(jīng)濟(jì)，人為的增加網(wǎng)絡(luò)的阻力也就是增大了每立方米空氣所消耗的電能。當(dāng)然這比不進(jìn)行調(diào)節(jié)而供給過多的風(fēng)量還是有利的（對功率曲線在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)隨風(fēng)量增加而上升的風(fēng)機(jī)而言）。改變風(fēng)機(jī)性能曲線是通過改變風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行曲線，主要有定速和變速兩類。定速調(diào)節(jié)包括入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)及動葉調(diào)節(jié)。變速調(diào)節(jié)是管路特性曲線不變時，用變轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，從而改變風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)。變速調(diào)節(jié)大大減少附加的節(jié)流損失，在很大變工況范圍內(nèi)保持較高的效率，與傳 統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)相比，不產(chǎn)生其他調(diào)節(jié)方式附加損失，降低了功率消耗，節(jié)約了電能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于高壓變頻器發(fā)展，煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于在節(jié)能和提高風(fēng)機(jī)效率方面具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動和保護(hù)等要求，已開始應(yīng)用在風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中。本文所研究的風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)選用變頻調(diào)節(jié)。 可編程控制器的應(yīng)用 PLC 概述 國際電工委員會 IEC 對 PLC 的定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是用來取代電機(jī)控制的順序繼電器電路的一種器件，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng) 用而設(shè)計。它采用一種可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 的基本構(gòu)成 圖 2 PLC 的一般構(gòu)成 l 中央處理單元 CPU 中央處理單元 CPU 一般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組成，它是 PLC 的核心部分。它的主要任務(wù)有 :控制接收和存儲編程設(shè)備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的錯誤 。掃描 I/O 接收的現(xiàn)場狀態(tài)，并按照用戶程序?qū)π畔⑦M(jìn)行處理，然后刷新 輸出接口，對執(zhí)行部件進(jìn)行控制。 2 存儲器 存儲器是 PLC 存放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 PROM 或EPROM 存儲器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲器主要包括用戶程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)二個部分。用戶程序存儲區(qū)用于存儲用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)用于存放用戶程序中使用器件的 ON/OFF 狀態(tài)和各種數(shù)值數(shù)據(jù)等。 3 I/O 接口 輸入，輸出接口電路是 PLC 與現(xiàn)場 I/O 設(shè)備相連接的部件，它的作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換位 PLC 能夠 接收和處理的信號，將 CPU 送來的弱電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需的強(qiáng)電信號。 4 電源單元 電源單元是 PLC的電源供給部分。它的作用是把外部供應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換成 CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，及向外部器件提供 24V 直流電源。 5 外設(shè)接口與擴(kuò)展接口 PLC 可以通過外設(shè)接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、 PLC 或計算機(jī)相連。擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 PLC 的工作原理 PLC 采用一種不同于一般微型計算機(jī)的運(yùn)行方式即循環(huán)掃描技術(shù)，循環(huán)掃描技 術(shù)是指當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段 輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，各個階段的功能如下： l 輸入采樣階段： PLC 將掃描的輸入端子的狀態(tài)存入映像寄存器，然后進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，