【正文】 2 系統(tǒng)構(gòu)成及各部分功能本論文設(shè)計(jì)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。通過的煤礦主通風(fēng)機(jī)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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。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)。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(gè)葉輪裝在另一個(gè)葉輪的后面，同時(shí)兩個(gè)葉輪的旋轉(zhuǎn)方向彼此相反。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)。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Psti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(gè)點(diǎn)的靜壓值可以認(rèn)為相等。軸功率是指原動(dòng)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(shí)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(jì)算:Nx=PiQ1000Nx——通風(fēng)機(jī)全壓有效功率，kW；Pi——通風(fēng)機(jī)的全壓，Pa；Q——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m/s3。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(jì)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。軸流式風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下，基本上能消除氣流的徑向流動(dòng)，但當(dāng)流量大于設(shè)計(jì)值時(shí)，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(shí)，會(huì)發(fā)生二次回流現(xiàn)象。－H曲線大都屬于陡降型曲線流量偏小時(shí)，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。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(dòng)，盡管如此當(dāng)啟動(dòng)與停車時(shí)，總是會(huì)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。因此，Q－H曲線和Q－N曲線都是在流量從小到大增加時(shí)先下降，再上升，然后再下降，有兩個(gè)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(gè)趨勢中它和QH曲線的擬合方法一樣，選用有兩個(gè)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。一般工作的工況點(diǎn)選在效率大于60%的曲線段。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(shí)，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。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(gè)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。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。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。變速調(diào)節(jié)是管路特性曲線不變時(shí)，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)。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(dòng)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。 PLC概述國際電工委員會(huì)(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(jì)。 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。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。系統(tǒng)存儲(chǔ)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(chǔ)器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。(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(jì)算機(jī)相連。 PLC的工作原理PLC采用一種不同于一般微型計(jì)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(gè)階段輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。(2)程序執(zhí)行階段：PLC根據(jù)讀入的輸入映像寄存器中的信號狀態(tài)，按一定的掃描原則執(zhí)行用戶編寫的程序，然后把執(zhí)行結(jié)果存入元件映像寄存器中。本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3 傳感器與PLC擴(kuò)展模塊的連接、風(fēng)量參數(shù)的檢測(這里主要測靜壓)一般都是采取鉆孔取壓法，測點(diǎn)選擇在風(fēng)機(jī)的入口，將取得的壓力信號通過壓力傳感(變送)器轉(zhuǎn)換成電信號。本設(shè)計(jì)中選用CYBZI系列中量程為03KPa的壓力傳感器。計(jì)算公式：式中P2為CP201測量到靜壓，P1為入口壓力CP202(表壓)的絕對值(正值)，T1為入口溫度，系數(shù)k因風(fēng)機(jī)參數(shù)的不同而異。3. 負(fù)壓對于負(fù)壓參數(shù)的采集主要用于與設(shè)定的負(fù)壓值進(jìn)行比較，調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在指定的工況點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的閉環(huán)控制。具體測試方法為：通過安裝在軸承部位的速度傳感器拾取振動(dòng)烈度信號，經(jīng)過振動(dòng)變送器送到PLC中，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。常用的振動(dòng)測量傳感器有電渦流式傳感器、速度式傳感器、加速度式傳感器。經(jīng)過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測振儀器廠生產(chǎn)的MT3T型電磁式速度傳感器。%測量方向：水平或垂直電源：177。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，以及增強(qiáng)報(bào)警和顯示等功能，又選擇了南京東大測振儀器廠生產(chǎn)的與MT3系列磁電式振動(dòng)速度傳感器配套使用的30ZXPJ210型振動(dòng)速度監(jiān)控裝置。其具體參數(shù)如下：(1)量程：0～10mm/s，0～20mm/s，0～50mm/s(均方根值)(2)頻率范圍：10～1000Hz(3)信號輸入：MT3系列磁電式振動(dòng)速度傳感器的信號(4)靈敏度：30mV/mm/s≤3%(5)儀表顯示顯示方式：高分辨率LCD顯示，精確度177。%(8)報(bào)警輸出：警告、危險(xiǎn)兩極報(bào)警；(9)繼電器節(jié)點(diǎn)容量：DC30V/1A，AC125V/(10)使用電源：AC220V/50HZ177。電量參數(shù)監(jiān)測采用EDA9033電量參數(shù)監(jiān)測模塊。在該系統(tǒng)中，PLC通過CP341模塊與EDA9033通過MODBUSRTU協(xié)議進(jìn)行通信，所以電氣參數(shù)通過由安裝在各開關(guān)柜內(nèi)的智能儀表單元與PLC以通訊的方式得到。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準(zhǔn)確的測出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。其性能指標(biāo)如下：連續(xù)監(jiān)測風(fēng)機(jī)工作時(shí)的軸承溫度和電機(jī)的軸承溫度，也是風(fēng)機(jī)工況監(jiān)測的一項(xiàng)重要任務(wù)。常用的溫度檢測傳感器有熱電阻式熱電傳感器、熱電偶式傳感器和熱敏電阻傳感器等。熱電偶式傳感器在中溫或高溫外露條件使用時(shí)的穩(wěn)定性不如熱電阻式傳感器。熱電偶外露線必須使用溝環(huán)才能與熱電偶儀器或控制設(shè)備相連。因此，結(jié)合本系統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風(fēng)機(jī)溫度。按照不同測點(diǎn)對溫度測量范圍的要求，本系統(tǒng)選擇日本林電的PT100鉑電阻，具體型號選擇如下：測點(diǎn)型號測量范圍風(fēng)機(jī)主軸承溫度STTSAIT0~150℃電機(jī)軸承溫度STTSAIT350~200℃電機(jī)三相繞組溫度STTSAIT350~200℃另外，在檢測溫度參數(shù)時(shí)，還需要有變送器將測量的溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號或05V的電壓信號，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。監(jiān)控系統(tǒng)的輸出開關(guān)量主要包括：泵站電機(jī)控制、風(fēng)門打開和關(guān)閉控制、主電機(jī)正反向合閘、主電機(jī)正反向分閘、主電機(jī)正反向跳閘、制動(dòng)器控制以及聲光報(bào)警等。 變頻調(diào)速近幾年來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器的價(jià)格不斷下降，其可靠性和功能性得到了不斷提高和完善，使其在水泵、風(fēng)機(jī)、電梯等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。一般地來講，將變頻器應(yīng)用在礦井通風(fēng)機(jī)上，具有以下的功能和優(yōu)點(diǎn)：(l)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無級平滑調(diào)速，及時(shí)滿足礦井生產(chǎn)的風(fēng)量需求，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省大量的電能損耗。(3)PLC控制技術(shù)和變頻器結(jié)合使用，可以使通風(fēng)系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能和高可靠性，減少通風(fēng)機(jī)的檢修和維護(hù)的工作量，節(jié)約設(shè)備的費(fèi)用。交流異步電機(jī)以其體積小、重量輕、價(jià)格低廉、運(yùn)行性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械的電力傳動(dòng)中應(yīng)用最為普遍。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機(jī)的調(diào)速方式，如異步電機(jī)的變極調(diào)速、定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。由電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)原理，可知交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為: (21)由上式(21)、(22)和(23)可以看出，如果改變輸入到異步電機(jī)定子繞組的電源頻率f1，就可以改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n由電機(jī)學(xué)知識可知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速ns，而且它是隨著同步轉(zhuǎn)速的變化而變化的。反之，當(dāng)電源頻率f1降低，同步轉(zhuǎn)速ns降低，交流異步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n也降低。在變頻調(diào)速技術(shù)中，使用變頻器向電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的電源，去改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4 風(fēng)機(jī)及管網(wǎng)的H－Q特性曲線圖圖4中曲線1為風(fēng)機(jī)開始調(diào)節(jié)前的風(fēng)壓一風(fēng)量(H一Q)特性曲線，曲線a為管網(wǎng)風(fēng)阻特性曲線(管網(wǎng)阻力最小)。如果生產(chǎn)要求風(fēng)量從Q1減少到Q2時(shí)，若采用關(guān)小風(fēng)機(jī)管路閥門的方法調(diào)節(jié)，相當(dāng)于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線變化到b，系統(tǒng)工況點(diǎn)也由A點(diǎn)變到B點(diǎn)。 若采用變頻調(diào)速控制局部通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，風(fēng)壓－風(fēng)量特性變?yōu)榍€2，系統(tǒng)工況也由A點(diǎn)變到C點(diǎn)，代表軸功率的面積CH3OQ2比采用前一種方法調(diào)節(jié)顯著減少，兩者之差即是節(jié)省的氣體功率。由以上的比例關(guān)系，可以看出風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。根據(jù)上述變頻調(diào)速的原理，礦井通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器按結(jié)構(gòu)來分，分為交一交變頻器和交一直一交變頻器兩種。交一直一交變頻器是把工頻交流電經(jīng)整流器先轉(zhuǎn)換成直流電，然后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電轉(zhuǎn)換成頻率、電壓可控制的交流電，又稱為間接變頻器。整流電路有可控整流電路和不可控整流電路兩種(2)逆變器逆變器即是負(fù)載側(cè)的變流器，它的主要作用在控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)變成頻率、電壓調(diào)節(jié)后的交流電，輸出給外部設(shè)備。(3)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)又稱為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，這是因?yàn)槟孀兤鞯呢?fù)載多為感性負(fù)載，其功率因數(shù)小于1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間存在著無功率的交換?？偟膩碚f，PLC控制變頻器的方式主要有以下三種方式：(1)頻率輸出控制端子的邏輯組合方式大多數(shù)變頻器都有幾個(gè)不同的頻率輸出控制端子，我們可以通過變頻器參數(shù)的設(shè)定，設(shè)置控制端子不同的頻率輸出。其邏輯組合控制是用PLC的輸出去控制變頻器控制端子的ON/OFF狀態(tài)，使變頻器輸出不同頻率的電源，進(jìn)而控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種控制方式只適合不需要電機(jī)連續(xù)調(diào)速就能滿足生產(chǎn)要求的場合。通過串行電纜把PLC和變頻器的RS485通訊接口連接起來，用通訊的方式把頻率由PLC傳給變頻器，這就是PLC控制變頻器的通訊方式。如PLC通過通訊的方式來監(jiān)控變頻器，可以傳送大量的信息，連續(xù)地監(jiān)控多臺變頻器，還可以通過通訊修改變頻器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多臺變頻器的聯(lián)動(dòng)控制和同步控制。(3)模擬量控制的方式現(xiàn)在生產(chǎn)的PLC一般都具有模擬量信號處理的功能，模擬量信號通過A/D模塊和D/A模塊轉(zhuǎn)換后，輸出0~10V的電壓或4~20mA的電流，把輸出的信輸入到變頻器相應(yīng)的模擬量輸入端子，可以控制變頻器輸出電源的頻率，這種PLC控制變頻器的方式，稱為模擬量的控制方式。由于本控制系統(tǒng)中采用的是兩臺變頻器控制對旋軸流風(fēng)機(jī)兩臺電機(jī)的方案，是一對一控制，為說明問題，本系統(tǒng)采用PLC控制變頻器的模擬量控制方式。中央控制層由帶有以太網(wǎng)接口的PLC組成，PLC作為總站，就地站以及遠(yuǎn)程輸入站作為從站，采用PROFIB