【正文】 專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（BiCo）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性?？刂栖浖梢詫?shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式等。本系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的功率為24Kw，因此可以選擇同樣功率的變頻器。圖10 變頻器與PLC的連接，用于變頻器啟動(dòng)和停止控制。壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)PLC處理后，由EM235模塊的3口和5口輸出，連接MM430變頻器的AIN+和AIN端口，進(jìn)而控制兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。 上面提到：當(dāng)通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、功率與轉(zhuǎn)速有以下比例關(guān)系：Q1/Q2=n1/n2P1/P2=(n1/n2)2N1/N2=(n1/n2)3式中： nn2—通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min； PP2—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa； NN2—通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，W。風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》規(guī)定每人每分鐘需要的風(fēng)量應(yīng)不少于m3/s，如設(shè)定為5m3/s，可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q=。令n1=2900r/min，Q1=，f1=50Hz，Q2=，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，可求出掘進(jìn)巷道開始掘進(jìn)時(shí)，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的起始速度n2=(Q2/Q1)n1=1744r/min。再根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電源頻率的線性關(guān)系，可估算出Q2=，變頻器輸出給風(fēng)機(jī)的電源電壓頻率f2=(n2/n1)f1=30Hz。當(dāng)巷道中的管網(wǎng)阻力增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨之減小，為了滿足所需風(fēng)量的要求，要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風(fēng)機(jī)出氣風(fēng)壓的變化進(jìn)行風(fēng)量的控制。首先，用壓力傳感器采集風(fēng)機(jī)的出氣風(fēng)壓。然后，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，把風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速卞的壓力。接著，根據(jù)風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的壓力一流量特性曲線方程，求出此風(fēng)壓下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量大小。最后，再根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律，風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。由于變頻器010V的模擬輸入電壓對(duì)應(yīng) 050Hz的輸出電壓頻率，而0~50Hz的電壓頻率又對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)02900r/min的轉(zhuǎn)速。根據(jù)此線性關(guān)系，可以求出風(fēng)機(jī)達(dá)到需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速時(shí)，變頻器需要的模擬輸入電壓值。其具體的理論算法如下圖11所示。圖11 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線風(fēng)機(jī)在剛開始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力最小為R0，輸入電源電壓頻率為30Hz(變頻器設(shè)定)，其工作的工況點(diǎn)為0。由以上表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知此工況點(diǎn)的風(fēng)量Q0=，風(fēng)壓P0=，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n0=1744r/min。根據(jù)變頻器的輸出頻率與其輸入模擬電壓的線性關(guān)系，可知f0=30HZ時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓u0=30/5010=。當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力由R0增加到R1，時(shí)，工況點(diǎn)由0到1，風(fēng)量由Q0減小到Q1。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為P1，可由下面風(fēng)機(jī)的比例關(guān)系式求出工況點(diǎn)3的壓力值。 (41)式中： P1，P3—工況點(diǎn)3時(shí)出氣風(fēng)壓，Pa； n1，n3—工況點(diǎn)3時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； f1，f3—工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸出電壓頻率，HZ； u1，u3—工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸入模擬電壓，V。 (42)其中，工況點(diǎn)3為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行是的工況點(diǎn)，n3=2900r/min，f3=50HZ，u3=10V，并且n1=n0，f1=f0，u1=u0，P1是由壓力傳感器測(cè)得的。根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的PQ特性曲線方程把由式(42)求得的P3代入，需要給變頻器的模擬輸入電壓u2。Q2Q3=n2n3=f2f3=u2u3式中：Q2，Q3－工況點(diǎn)3時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量， m3/s； n2，n3－工況點(diǎn)3時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； f2，f3－工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸出電壓頻率，HZ； u2，u3－工況點(diǎn)3時(shí)變頻器輸入模擬電壓，V。則u2=Q2Q3u3 (43)最后，把由(43)式求得的模擬輸入電壓值輸出給變頻器的模擬量控制端，便可使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到n2。同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力再變化時(shí)，根據(jù)采集的風(fēng)壓大小，依據(jù)此算法即可及時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。 UP和QP曲線的擬合在PLC程序中，變頻器模擬輸入電壓值是根據(jù)其與采集出氣風(fēng)壓(U一P)的擬合函數(shù)方程求得的。該擬合方程是根據(jù)以上所述算法，理論計(jì)算出不同出氣風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的變頻器模擬輸入電壓值，然后對(duì)這些理論數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。工頻風(fēng)量的求解則是由工頻風(fēng)量與采集壓力(Q一P)的擬合方程求得的。其擬合方程是把采集的不同出氣風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓，然后根據(jù)風(fēng)機(jī)工頻的壓力流量特性曲線方程求出所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量值，對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求得的。5主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC軟件設(shè)計(jì)和組態(tài)軟件設(shè)計(jì)兩部分。 PLC軟件設(shè)計(jì)PLC軟件部分用STEP7Micro/WIN編程。程序包括主控制程序、參數(shù)初始化子程序0、模擬量模塊檢查子程序電機(jī)軸承，定子溫度采樣求平均值子程序振動(dòng)傳感器采樣求平均值子程序風(fēng)壓采樣及模擬輸入電壓和風(fēng)量計(jì)算子程序變頻器模擬輸入電壓中斷程序0以及報(bào)警中斷程序。圖12 主程序流程圖主控制程序用來控制風(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻、手動(dòng)變頻和工頻運(yùn)行、子程序的調(diào)用和中斷時(shí)間的設(shè)置，以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫度超限報(bào)警、變頻器和風(fēng)機(jī)故障報(bào)警、變頻器故障復(fù)位等功能。主控制程序的程序流程如圖12所示。PLC主控制程序在執(zhí)行時(shí)，先判斷風(fēng)機(jī)是否自動(dòng)變頻運(yùn)行。若是，則調(diào)用參數(shù)初始化子程序0和模塊連接檢查子程序1，如果EM235和EM231模塊連接有錯(cuò)誤，則程序結(jié)束；如果檢查EM235和EM231模塊連接無錯(cuò)誤，則調(diào)用子程序4采集電機(jī)定子軸承溫度，振動(dòng)參數(shù)和風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)壓力大小。然后根據(jù)設(shè)置的定時(shí)中斷時(shí)間，定時(shí)連接變頻器的模擬輸入電壓中斷程序0，再判斷變頻器是否有故障，電機(jī)溫度是否超限以及電機(jī)是否振動(dòng)異常。若都不，則把根據(jù)采集風(fēng)壓計(jì)算的模擬電壓值輸出給變頻器，進(jìn)行風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制；當(dāng)風(fēng)機(jī)不進(jìn)行自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，判斷其是否手動(dòng)變頻運(yùn)行。若是，則程序開始執(zhí)行判斷頻器是否有故障；若不是，則風(fēng)機(jī)進(jìn)行工頻運(yùn)行。子程序0的作用是寄存器中有關(guān)參數(shù)的初始化，包括溫度采樣平均值初始化、風(fēng)壓采樣平均值初始化、模擬電壓及風(fēng)量計(jì)算系數(shù)初始化、振動(dòng)參數(shù)采樣初始化等。當(dāng)主控制程序在開始執(zhí)行時(shí)，若風(fēng)機(jī)處于自動(dòng)變頻運(yùn)行狀態(tài)，該程序即被調(diào)用一次。在調(diào)用子程序進(jìn)行信號(hào)采集前，要調(diào)用子程序1檢查該擴(kuò)展模塊EM235和EM231模塊是否存在，用戶電源是否有錯(cuò)。若有錯(cuò)，則控制系統(tǒng)的主程序立即結(jié)束；若無錯(cuò)，則進(jìn)行子程序3和4的調(diào)用。子程序0和子程序1的程序流程如圖13所示。圖13 子程序0與子程序1流程圖子程序2和3的程序流程如圖14所示。子程序2用于采集電機(jī)定子和軸承溫度，然后把采集的數(shù)值進(jìn)行累加求平均值，作為一次采集值。本流程圖中以1電機(jī)定子溫度采集為例，其它溫度采集與之類似。而子程序3則是用來采集軸承的振動(dòng)參數(shù)， 然后把采集的數(shù)值累加求平均值，作為一次采集值。最后由PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括定子和軸承的溫度是否超標(biāo)，軸承振動(dòng)是否異常，進(jìn)而判斷是否報(bào)警或進(jìn)行斷電處理。圖14 子程序2與子程序3流程圖子程序4用來從壓力傳感器中采集風(fēng)壓信號(hào)，并把每次采集的數(shù)值進(jìn)行累加，次數(shù)達(dá)到1000次時(shí)，求其平均數(shù)值，作為一次采集的出氣壓力值。由于PLC采集的電壓值為032000之間的數(shù)字量，需要根據(jù)傳感器采集的壓力值與輸出電壓的線性關(guān)系，把PLC采集的數(shù)值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的風(fēng)壓值。然后，求出此風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓值。同時(shí)，根據(jù)采集風(fēng)壓轉(zhuǎn)換到工頻風(fēng)壓所對(duì)應(yīng)的風(fēng)量與采集風(fēng)壓的擬合方程，求出此風(fēng)壓對(duì)應(yīng)的風(fēng)量。其程序的流程如圖15所示。圖15 子程序4流程圖滿足風(fēng)量要求的模擬輸入電壓值為子程序4中計(jì)算的模擬電壓值，把計(jì)算所得的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成032000之間的數(shù)字量，送給PLC模擬量模塊的輸出端AIWO，輸出給變頻器的模擬量控制端子，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。中斷子程序流程圖略。組態(tài)軟件選用北京亞控公司的KINGVIEW 。，可用于工業(yè)自動(dòng)化的過程控制和管理監(jiān)控。、靈活、易用的開發(fā)環(huán)境和廣泛的功能，能夠快速建立、測(cè)試和部署自動(dòng)化應(yīng)用，來連接、傳遞和記錄實(shí)時(shí)信息。用戶可以實(shí)時(shí)查看和控制工業(yè)生產(chǎn)過程。組態(tài)王還提供了一套全新的、集成的報(bào)表系統(tǒng)，內(nèi)部提供豐富的報(bào)表函數(shù)，用戶可以根據(jù)工程的需要任意改變報(bào)表的外觀。組態(tài)王的WEB畫面采用分組式發(fā)布、網(wǎng)站式瀏覽的形式，設(shè)計(jì)者和操作人員無需做更多的事情。WEB發(fā)布的安全管理分為兩級(jí)：普通用戶只能瀏覽畫面，不能修改數(shù)據(jù)；高級(jí)用戶(調(diào)度中心、廠長(zhǎng)辦公室)則可以看到所有發(fā)布的畫面，而且可以讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)和操作原畫面中的有權(quán)限設(shè)置的圖素等。組態(tài)軟件在系統(tǒng)中的主要功能是：模擬運(yùn)行畫面，提供良好的人機(jī)界面，接收從PLC傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在畫面上顯示，按需求記錄實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，記錄報(bào)警事件，包括報(bào)警量、報(bào)警值、報(bào)警時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和操作人員等。操作人員可以在此人機(jī)界面上直接發(fā)出風(fēng)門開關(guān)、啟停風(fēng)機(jī)和正反轉(zhuǎn)的命令，PLC接收到從組態(tài)軟件傳出的命令后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行命令。PLC接收操作完成的信號(hào)并傳送給組態(tài)軟件顯示。 組態(tài)王軟件開始需要新建工程，然后建立“礦井主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)”和“PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)”兩個(gè)界面。運(yùn)用組態(tài)王自帶的圖庫(kù)搭建界面圖形。煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面如圖16所示。主界面實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)控功能，通過PLC與上位工控機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的無人值守。主界面中包含風(fēng)機(jī)各種參數(shù)如風(fēng)量，風(fēng)壓，負(fù)壓，電機(jī)定子溫度，軸承溫度，振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，以及電機(jī)的三相電壓，電流，功率等。同時(shí)含有趨勢(shì)曲線，報(bào)警窗口，報(bào)表查詢等選項(xiàng)。圖16煤礦主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面圖17 PLC控制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面變頻調(diào)速主界面中包含電機(jī)的啟動(dòng)，停止按鈕，以及電機(jī)的變頻/工頻運(yùn)行按鈕，故障復(fù)位，報(bào)警解除按鈕以及對(duì)應(yīng)的指示燈。用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程變頻調(diào)控和故障報(bào)警等功能。結(jié)論本論文通過下位機(jī)與上位機(jī)的組合，完成了礦井通風(fēng)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)房的無人值守。同時(shí)，本文引入變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，不僅節(jié)省電能，提高了風(fēng)機(jī)的工作效率，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)及風(fēng)機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)速。文章中，根據(jù)風(fēng)機(jī)的壓力流量曲線提出了風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，根據(jù)壓力傳感器檢測(cè)的風(fēng)量，計(jì)算變頻器的輸入電壓值。最后，本論文給出了設(shè)計(jì)流程圖。本論文還有許多地方值得進(jìn)一步研究：1變頻器的自動(dòng)變頻調(diào)速方面，為了提高調(diào)速系統(tǒng)的精確度，可以進(jìn)一步引入各種算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。也可以運(yùn)用PLC內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器。2 在下位機(jī)部分，本文是將傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳送到PLC進(jìn)行分析處理，并傳與上位機(jī)顯示，報(bào)警，在現(xiàn)場(chǎng)中可以在下位機(jī)部分引入液晶屏以顯示系統(tǒng)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。3 本論文為了說明問題，在傳感器選擇方面僅介紹溫度，振動(dòng)等大方向的測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)中需要測(cè)量的參數(shù)跟多，比如溫度方面包括風(fēng)機(jī)主軸承溫度，電機(jī)軸承溫度，定子三相溫度，轉(zhuǎn)子溫度，入口溫度等；振蕩參數(shù)的測(cè)量也包括東西軸xyz三個(gè)方向。4 本論文中PLC與變頻器的連接采用模擬量輸入電纜連接的方法，這種方法受距離限制且容易受到干擾，現(xiàn)場(chǎng)中一般考慮采用PLC與變頻器通信的控制方式5 在PLC與上位機(jī)通信方面，本文僅給出簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)思路和方法，具體的實(shí)現(xiàn)還有待研究。參考文獻(xiàn)[1] (第二版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，[2] ：煤炭工業(yè)出版社，[3] ：煤炭工業(yè)出版社，1992[4] 海心，馬銀忠，(修訂版).北京：人民郵電出版社，[5] ：煤炭工業(yè)出版社，[6] ：機(jī)械工業(yè)出版社，[7][J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000，27(2):30~32.[8] [J].煤礦機(jī)械，[9] :科學(xué)出版社，[10] 洪源，朱海濤，[J].工礦自動(dòng)化，2006(03):67~69[11] 朱正中，〔J].煤礦機(jī)械，2005(7):5~6[12] [J].山西焦煤科技,2006[13] :機(jī)械工業(yè)出版社，2005[14] :機(jī)械工業(yè)出版社，2005[15] 陳立定，吳玉香，:華南理工大學(xué)出版社，2003[16] [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2000[17] 汪廣， [18] 郝曉弘，2001. (3):15.[19] :清華大學(xué)出版社，2000.[20] :高等教育出版社，.[21] [J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，.[22] 陸秀令，張松華，[J〕.機(jī)床與液壓，2004(4):150~151附錄1煤礦主風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主電路圖，PLC及擴(kuò)展模塊圖，控制電路圖。2部分程序梯形圖變頻運(yùn)行標(biāo)志位工頻運(yùn)行標(biāo)志位變頻器故障標(biāo)志位自動(dòng)變頻標(biāo)志位振動(dòng)異常斷電位1電機(jī)溫度超限跳閘位2電機(jī)溫度超限跳閘位本設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)組設(shè)有軸承溫度和電機(jī)定子溫度過熱保護(hù)。本系統(tǒng)中設(shè)定風(fēng)機(jī)組軸承溫度報(bào)警溫度為85℃，跳閘溫度為90℃。定子報(bào)警溫度為120℃，跳閘溫度為125℃。進(jìn)行模擬量和數(shù)字