【文章內(nèi)容簡介】 理由于風量參數(shù)不能實現(xiàn)在線監(jiān)測而成為煤礦自動化管理的薄弱環(huán)節(jié)。目前大部分廠家 只對設備進行簡單的點測，或是對風機進行簡易的診斷。近幾年來，陸續(xù)有幾家大中型企業(yè)開始安裝了專用檢測診斷設備對風機進行了長期檢測。近幾年來，陸續(xù)有幾家大中型企業(yè)開始安裝了專用檢測診斷設備對風機進行了長期檢測。 05 年南京因泰萊電器股份有限公司為銀川力城電子煤礦設計了綜合現(xiàn)代化通信、計算機和自動控制與檢測技術的全分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)，它具有顯示、打印、報警、狀態(tài)識別、趨勢分析、現(xiàn)場動平衡等功能，在實際應用中取得了很好的效果。但與國外還是存在著一定的距離。 礦井主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控的展望 隨著科學技術的發(fā)展 ,科 技人員的不斷努力，礦井主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控取得了一定的成績 ,但也明顯存在一些不足礦井主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控主要還處在監(jiān)測水平，其控制功能很弱，對主通風機的控制和故障診斷基本上還處 在研究階段，礦井主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控的可靠性有待進一步提高，礦井主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控是一個較獨立的系統(tǒng) ,未與整個礦井通風系統(tǒng)、整個煤礦管理系統(tǒng)取得協(xié)調(diào)的聯(lián)系。 針對以上不足，為了進一步提高煤礦自動化管理水平 ,提高生產(chǎn)的安全程度，降低工人 第 2 頁 勞動強度，礦并主通風機在線監(jiān)測監(jiān)控應在如下幾個方面發(fā)展： (1)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結構向集散化結構發(fā) 展 新推出的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)基本上都采用集散系統(tǒng)結構，一般由現(xiàn)場測控分站和控制中心主站組成。分站以脫離主站自動實現(xiàn)就地監(jiān)測和控制功能，一般由中小型可編程控制器組成。主站一般采用 PC 機，主要負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印等。 (2)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)開放化 新推出的集散監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)均采用開放系統(tǒng)互連的標準模型、通信協(xié)議或規(guī)程，支持多種互連標準。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)或計算機系統(tǒng)相連，方便地組成多節(jié)點的計算機局域網(wǎng)絡，實現(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、靈敏度自動補償、非線性自動補償?shù)裙δ艿闹悄軅鞲衅鳌? (4)煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件發(fā)展趨勢 包括操作系統(tǒng)的實時多任務化，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、標準化。 (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、軌道運輸、皮帶運輸、提升運輸、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、大型機電設備的運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，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的最基本處理，在此基礎上，國內(nèi)正在開發(fā)專家系統(tǒng)和礦井安全預警系統(tǒng)。在礦難發(fā)生前就能對各種安全隱患進行預測，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機為研究對象，以西門子 S7200 可編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運用溫度，壓力，振動等傳感器和電量采集單元對風機運行狀態(tài)以及各種電量參數(shù)進行檢測。同時，利用 PLC 和上位機之間的通信實現(xiàn)通風機運行的在線監(jiān)控。本論文還討論了利用變頻器控制通風機的變頻運行，實現(xiàn)風機的高效節(jié)能運行。具體地說，本論文的主要研究內(nèi)容如下： 1 實現(xiàn)信號采集與實時監(jiān)測，包括風機的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、負壓、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)能實現(xiàn)風機手動和自動變頻運行的切換，使風機處于工頻或變頻運行狀態(tài)。在變頻運行時，該系統(tǒng)能根據(jù)壓力 傳感器的模擬量輸入，經(jīng) PLC 內(nèi)部運算，計算出系統(tǒng)滿足安全生產(chǎn)所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經(jīng)擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調(diào)整風機的轉速。 3 本系統(tǒng)能實現(xiàn)多種報警功能，如風機定子，軸承溫度超限，電動機振動異常報警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時報警，及時處理的功能。 第 3 頁 4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 PLC 及擴展模塊接線圖。 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)絡的組建。 7 模擬風機運行情況，用組態(tài)王軟件繪制煤 礦主通風機在線監(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?、風量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數(shù)據(jù)報表功能。 第 4 頁 2 系統(tǒng)構成及各部分功能 本論文設計的礦井主扇風機的監(jiān)控包括風機運行狀態(tài)的監(jiān)測和風機風量的調(diào)節(jié)兩部分。 本系統(tǒng)中風機運行狀態(tài)的監(jiān)測以工控領域的可編程控制器 (PLC)和組態(tài)軟件為核心，以標準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備構建整個監(jiān)控系統(tǒng)。通過的煤礦主通風機的計算機監(jiān)控管理系統(tǒng) ,實現(xiàn)了通風機的計算機實時監(jiān)控以及通風機房與工業(yè)以太網(wǎng)和煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的信息共享。 風機風量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對風機風速的調(diào)節(jié)，據(jù)所需風量和風壓大小通過變頻器來調(diào)節(jié)風機的轉速在節(jié)能和提高風機效率方面具有無與倫比的優(yōu)點，還能實現(xiàn)風機的軟啟動和保護等要求。 礦井主扇風機 礦井主扇風機概述 礦井通風機按結構來分，有離心通風機和軸流通風機，目前礦上使用最多的是軸流通風機。軸流通風機是氣體沿軸向進入旋轉葉 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機。在兩級的軸流通風機中，有一種性能比較好的軸流通風機 —對旋式軸流通風機，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方向彼此相反。它具有結構尺寸短，效率高，反風性能好的特點。目前礦井中主扇風機大部分采用對旋式軸流風機。 本論文中采用某實驗風機，其技術參數(shù)如下： 風機基本性能參數(shù) 轉速（ r/min） 風量（ /h） 全壓（ Pa） 效率（ %） 直徑（ mm） 2900 54009000 12002400 400 配用電機基本參數(shù) 型號 轉速（ r/min） 功率（ Kw） 額定電壓（ V） 額定電流（ A） Y112M2 2900 42 380 風機主要技術指標 單位時間內(nèi)通風機吸入的氣體的體積稱為通風機的風量，以 Q 表示，單位為 m/ 在通風中所稱的風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 通風網(wǎng)絡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，在實際的通風網(wǎng)路中，通風截面一般不是很大，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的靜壓值可以認為相等。 2)動壓 第 5 頁 指單位體積的流體所具有的動能，攜帶該能量的氣體微團被滯止后表現(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 氣流中某一點的滯止壓力，亦是該點靜壓和動壓的代數(shù)和，以 表示： = 3 功率 通風機的功率分為軸功率和有效功率。軸功率是指原動機傳遞給通風機軸上的功率，有功功率是指風機在單位時間內(nèi)對氣體做的有用功，通風機的全壓有效功率用下式計算 : = ——通風機全壓有效功率， kW； ——通風機的全壓， Pa； ——通風機的風量， m/ 。 若通風機的風壓用靜壓表示，則通風機靜壓有效功率可用下式計算 : = 式中 : ——通風機靜壓有效功率， 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 ,——通風機的全壓效率和靜壓效率； 第 6 頁 N——通風機的軸功率， kW。 5 轉速 轉速是指通風機在單位時間內(nèi)的實際轉數(shù)，以 n 表示，單位為 r/min。 風機的特性曲線 軸流式風機在設計工況下，基本上能消除氣流的徑向流動，但當流量大于設計值時，葉輪下游側氣流將由內(nèi)向外朝直徑較大處偏斜；反之，氣流將朝較小處偏轉，情況嚴重時，會發(fā)生二次回流現(xiàn)象。軸流式風機的性能曲線如圖 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機在零流量下啟動時的軸功率為最大。因此與離心式風機相比，軸流式風機應當在管路暢通下開動，盡管如此當啟動與停車時，總是會經(jīng)過最低流量的，所以軸流式風機所配用電機要有足夠的裕量。 － n 曲線在最高效率點附近迅速下降 流量不在設計工況下的氣流情況迅速變壞，以至效率下降很快，所以軸流式風機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，正常工作工況點應選在 Q－ H 曲線的二次下降段，也就是駝峰點的右 側，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，選用有兩個拐點的三次方程，能很好的反映風機工作情況的性能。 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機的正常工作范圍，即在 Q－ H曲線駝峰點右側和 Q 門曲線效率大于 60%的公共部分。同樣是由于在風量較小的情況下，風機二次回流現(xiàn)象的影響，使得到某一流量時，在風機轉速的增大和減小的回復，這也就是風機喘振點，在風機性能測試過程中，一般由此點開始或到此點結束，所以大多數(shù)的風機性能曲線的流量不是從零開始。 第 7 頁 圖 1 軸流式風機的性能曲線 風量的調(diào)節(jié)方法 通風機的調(diào)節(jié)是為了改變通風機的流量，以滿足實際工作的需要，故通風機的調(diào)節(jié)又稱流量調(diào)節(jié)。反映在通風機性能曲線圖上就是改變風機工況點，流量調(diào)節(jié)主要有兩個目的：第一，滿足礦井用風量的要求，第二，提高風機的運行效率。主要的調(diào)節(jié)方法或 改變風機運行工況有兩大類：改變管網(wǎng)性能曲線和改變通風機性能曲線。 改變管網(wǎng)曲線主要是在通風機的管路上設置節(jié)流閥或風門來調(diào)節(jié)流量，風門調(diào)節(jié)是利用風門來增大風道阻力，以較少風量，這種調(diào)節(jié)最不經(jīng)濟，人為的增加網(wǎng)絡的阻力也就是增大了每立方米空氣所消耗的電能。當然這比不進行調(diào)節(jié)而供給過多的風量還是有利的（對功率曲線在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)隨風量增加而上升的風機而言）。改變風機性能曲線是通過改變風機自身運行曲線，主要有定速和變速兩類。定速調(diào)節(jié)包括入口導葉調(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，用變轉速來改變風機的性能曲線，從 而改變風機的工況點。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)濟效益。由于高壓變頻器發(fā)展，煤礦主通風機變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于在節(jié)能和提高風機效率方面具有無與倫比的優(yōu)點，還能實現(xiàn)風機的軟啟動和保護等要求，已開始應用在風機監(jiān)控系統(tǒng)當中。本文所研究的風機監(jiān)控系統(tǒng)當中，風機風量調(diào)節(jié)選用變頻調(diào)節(jié)。 可編程控制器的應用 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)字運算操作的電 第 8 頁 子系統(tǒng)，是用來取代電機控制的順序繼電器電路的一種器件，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用一種可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)和算術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械或生產(chǎn)過程。 PLC 的基本構成 圖 2 PLC 的一般構成 (l)中央處理單元 (CPU) 中央處理單元 (CPU)一般由控制器，運算器和寄存器組成，它是 PLC 的核心部分。它的主要任務有 :控制接收和存儲編程設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行處理，然后刷新輸出接口，對執(zhí)行部件進行控制。 (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 設備相連接的部件，它的作用是將輸入信號轉換位 PLC 能夠接收和處理的信號，將 CPU送來的弱電信號轉換為外部設備所需的強電