【正文】 1 頁 1 緒論 煤礦通風概況 據(jù)統(tǒng)計 ,我國煤礦事故因瓦斯爆炸死亡人數(shù)是世界上主要采煤國家 ， 死亡總?cè)藬?shù)的 4 倍 ,百萬噸煤死亡率是美國的近 20 倍、印度的 12 倍。礦井通風系統(tǒng)主要是為了解決礦井內(nèi)空氣的流通問題 ,使在井下作業(yè)的礦工能夠正常工作并使有害氣體 能夠及時地疏散到礦外大氣中去。 礦井的氣候條件常用風流的溫度、濕度及風速三個參數(shù)進行綜合評價。 這三個參數(shù)是影響人體散熱的主要因素。因此，為了改善礦井氣候條件，防止瓦斯集聚，要求井巷風速不能太低；為了防止井巷中落塵飛揚、產(chǎn)生較大的通風阻力等，要求風速也 不能過大。通過風量調(diào)節(jié)實現(xiàn)按需分風，決定各工作面的風量，所以對礦井主通風機的在線監(jiān)控在煤礦安全生產(chǎn)中起著重要的核心作用。 PLC 的組成部分 可編程控制器簡稱為 PLC，它的應(yīng)用廣泛、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域得到了廣泛的使用。 本設(shè)計使用的是西門子 S7300，它是模塊化的中小型 PLC，適用于中等性能的控制要求。 2) 電源模塊（ PS） 用于將 AC 220V 的電源轉(zhuǎn)化為 DC 24V 電源，供 CPU 模塊和 I/O 模塊適用。數(shù)字量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)和限位開關(guān)等來的開關(guān)量輸入信號。模擬量輸入模塊是接收 傳感器和變送器等提供的連續(xù)變化的模擬量電流，電壓等信號。 4) 功能模塊（ FM） 是智能的信號處理模塊，不占用 CPU 的資源，對來自現(xiàn)場的信號進行控制和處理，并將信息傳送給 CPU。 6) 接口模塊 (IM) 用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。導(dǎo) 軌是一種專用的金屬機架，只需將模塊鉤在 DIN 標準的安裝導(dǎo)軌上，然后用螺栓鎖緊就可以了。 S7300 用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。如果這些模塊超過 8 個，可以增加擴展模塊。其中 0 號機架的 DC 5V 電源由 CPU 模塊產(chǎn)生，其額定電流與 CPU 的型號有關(guān)。 PLC 的循環(huán)處理過程 CPU 中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。 用戶程序由用戶生成，用來實現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。 PLC 得電或由 STOP 模式切換到 RUN 模式時， CPU 執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器和定時器等內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。以后 PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也成為掃描工作方式。 2) CPU 將過程映像輸出區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊 ,CPU 讀取輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入過程映像輸入?yún)^(qū)。 4) 在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)。 在啟動完成后，不斷的循環(huán)調(diào)用組織塊 0B1,OB1 是用戶程序的主程序，中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 它可以調(diào)用別的邏輯塊。如果有中斷事件出現(xiàn)，當前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并自動調(diào)用分配給該事件的組織塊。 執(zhí)行其它任務(wù)執(zhí)行用戶程序讀取輸入模塊狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入輸出模塊啟動循環(huán)時間監(jiān)控執(zhí)行OB100 圖 掃描過程 S7300 的編程語言 STEP 7 是 S7300 系列 PLC 的編程軟件。在本設(shè)計中，我采用了梯形圖編程語言。觸點代表邏輯輸入條件，線圈通常代表邏輯運算的結(jié)果，指令框用來表示定時器、計數(shù)器或者數(shù)學(xué)運算等附加指令。梯形圖種的觸點和線圈可以使用物理地址，如果用符號表定義了某些地址的符號，可以用符號地址來代替物理地址，可以使程序易于閱讀和理解。程序段之間按從上到下的順序執(zhí)行，執(zhí)行完所有的 程序段后，下一次返回最上面的程序段 1，重新開始執(zhí)行 。通過交流穩(wěn)壓器輸出的電源分為兩路：一路為 PLC 電源模塊供電，另一路為PLC 的輸入 /輸出模塊、現(xiàn)場檢測單元、執(zhí)行機構(gòu)供電。 PLC 的控制部分供電包括 PLC 的 CPU 工作電源、各種 I/O 模塊的控制回路工作電源、各 種接口模塊和通信智能模塊的工作電源。一般 PLC 的電源模塊都有三個進線端子，分別用 L N、PE 表示。 在實際控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾是系統(tǒng)可靠工作的主要方法。對于 PLC 的控制系統(tǒng)，接地電阻一般不小于 4? 。PLC 組成的系統(tǒng)要單獨設(shè)計接地?，F(xiàn)在我們先來看一下各國通風監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展狀況： (1)英國 MINOS 監(jiān)測系統(tǒng)。 (2)德國 TF200 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。主要傳感器：高濃度瓦斯、低濃度瓦斯、 CO、風速等傳感器。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 (3)波蘭 CMM20m 瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。 (4)美國 SCADA 監(jiān)測系統(tǒng)。 國外在不斷完善煤礦安全的跟蹤預(yù)測的基礎(chǔ)上，開展了研究瓦斯突出的動態(tài)預(yù)測技術(shù)和突出危險區(qū)域預(yù)測技術(shù)。德國研發(fā)的“超越現(xiàn)實”是一種高安全性的通訊技術(shù)，可以完全改變井下礦工的工作方式。電腦會給出非常詳細的、有動畫演示的維修步驟。在新近研發(fā)的井下新技術(shù)中，特別引人注目的是一種“井下 WLAN 無線局域網(wǎng)系統(tǒng)”。專家可以借助礦工頭盔上的攝像頭傳送的實時圖片進行觀察與診斷，并通過 耳麥指導(dǎo)操作。波蘭和法國對煤層突出危險進行了分級，實現(xiàn)了科學(xué)管理。實踐表明，安全監(jiān)控系統(tǒng)為煤礦安全生 產(chǎn)和管理起到了十分重要的作用，各局礦已把它作為一項重大安全裝備。 截至目前，黑龍江煤礦安全監(jiān)察局利用黑龍江移動的 GSM 和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)己對全省 812 處礦井實現(xiàn)了風機主扇監(jiān)控和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控，占全省煤礦計劃實現(xiàn)安全監(jiān)控總數(shù)的 74%，并已實現(xiàn)了全部聯(lián)網(wǎng)。 本設(shè)計所作的工作 1） 實時監(jiān)測風機風壓（靜壓、全壓）、風速風量、軸承溫度、定子溫度、電網(wǎng)電流、電壓、功率、電機與風機效率、風峒大氣參數(shù)（溫度、濕度、大中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 氣壓力）等風機運行各種參數(shù)； 2） 監(jiān)測風門位置、風機開停狀態(tài)、反風信號和電機編號等風機運行多種狀態(tài)信息； 3） 控制風門開 /關(guān)、風機啟 /停； 4） 自動閉鎖控制，保證系統(tǒng)安全； 5） 具有現(xiàn)場控制，手動控制等多種控制方式。通風還可以調(diào)節(jié)井下的溫度，改善井下工作環(huán)境。 礦井主通風系統(tǒng)主要有通風機、風門、風井等幾部分組成，其中主通風機是系統(tǒng)的核心部件。 礦井主通風機通風機是礦井通風系統(tǒng)的核心設(shè)備， 因此自然成為風機監(jiān)測系統(tǒng)的首要監(jiān)測對象。 主通風機性能參數(shù) 主通 風機的特性主要有風壓、風量、功率、和轉(zhuǎn)速五個工作參數(shù)。 AVQ? （ ）式中 Q 表示風量 ,A 表示進風口斷面積 ,V 表示通風機的風速。分為風機全壓、風機靜壓和風機動壓。風機靜壓是風機全壓中用于克服管網(wǎng)阻力的部分。 dlld PPPPP ???? 22 （ ） 3） 風機的 軸 功率 cddNN ??? （ ） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 式中 N 是風機軸功率， dN 是電機有功功率， d? 是電機效率， c? 是傳動效率。風機的輸出功率必小于輸入功率，二者的比值反映了風機的實際工作狀況。 NPQ?? （ ） NQPJj ?? （ ） 式中 ? 是風機全壓效率， J? 是風機靜壓效率。對旋 軸流式通風機是將一個葉輪裝在另一葉輪的后面，而葉輪的轉(zhuǎn)向彼此相反，因此需要兩個容量、型號完全相同的有隔爆作用的電動機按相反方向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。兩級葉輪互為導(dǎo)葉，第一級形成的旋轉(zhuǎn)速度由第二級反向旋轉(zhuǎn)消除并形成單一的軸向流動排出。 BD(K)系列抽出式對旋式主通風機具有壓力增益大，效率高，結(jié)構(gòu)簡單和軸向尺寸小等優(yōu)點 ： 該系列對旋軸流主通風機的特點 ： 1） 具有優(yōu)良的氣 動性能、靜壓效率高、振動小、噪聲低、高效區(qū)域廣的特點。 2） 采用電機與葉輪直聯(lián)的簡捷傳動結(jié)構(gòu)，安裝簡單，使用與檢修方便，同時節(jié)省了風機的占地面積。當?shù)V井有害氣體急劇增大時，可將風機由送風置換成抽風，其反風量達正風量的 78%以上，不需要反風道基礎(chǔ)，節(jié)約了基建投資。 滿足煤礦安全規(guī)程規(guī)定的十分鐘內(nèi)必須反風。 5） 風機葉輪回轉(zhuǎn)部分的筒體上，增加了防火花的銅環(huán)裝置，以防止氣體中異物在葉輪高速運行時與筒壁撞擊產(chǎn)生火花，引發(fā)事故。同時在輪轂上刻有明顯的葉片角度指示線，實現(xiàn)了對葉片安裝角的無級調(diào)節(jié)，用戶可根據(jù)生產(chǎn)用風量的大小停機人工任意調(diào)節(jié)葉片的安裝角。 7） 采取風機 +電機一體化設(shè)計開發(fā)，針對過去對旋風機配套電機存在的質(zhì)量問題，特殊設(shè)計了專用電機，從根本上解決了原用風機的缺陷，并在主風筒中開設(shè)了多 個散熱孔，確保設(shè)備的長期運行。風道的通斷完全以來風門的開合來實現(xiàn)。三者都是電動風門，其中立式風門各有一臺 11KW 的低壓三相交流電動機拖動，采用的 是左右水平推拉式，無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，由左右限位開關(guān)來檢測風門的位置斜 風門采用 40KW 的交 流電動機拖動，由上下限位開關(guān)檢測風門的位置，限位開關(guān)的常開或常閉觸點向 PLC 發(fā)出信號并切斷電機供電回路。為防止煙火和有害氣體隨著風流中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 進入工作面，危害井下工人的生命安全，必須在很短的時間內(nèi)，改變風流 方向，防止災(zāi)害的蔓延，縮小災(zāi)害范圍，以保障井下工作人員的安全撤出。用于反風的各種設(shè)備和設(shè)施叫做反風裝置。為了保證礦井的安全生產(chǎn)，礦井必須安裝反風裝置?！? 通風機的反風方法一般來說有兩種：一種是利用反風道反風，另一種是利用風機反轉(zhuǎn)反風。后者的優(yōu)點是取消了反風巷道和風門，大大簡化了反風系統(tǒng)，只要措施得當，完全可以滿足反風要求，只是這種方法只適用于 對旋 軸流式通風機。用反轉(zhuǎn)電動機反風時，要做到： 1）立即依次拉開正在運轉(zhuǎn)的風機的油開關(guān)、隔離開關(guān)和正轉(zhuǎn)隔離開關(guān)，使電機斷電，并鎖住正轉(zhuǎn)隔離開關(guān)，用剎車裝置將風機停穩(wěn)。 3）依次合上反轉(zhuǎn)隔離開關(guān)（注意正 反轉(zhuǎn)隔離開關(guān)嚴禁同時合上），下隔離開關(guān)和油開關(guān)，使風機反轉(zhuǎn)啟動。 5）對于導(dǎo)翼固定的通風機直接反轉(zhuǎn)啟動通風機；對于導(dǎo)翼可調(diào)角度的通風機，則先調(diào)整導(dǎo)翼調(diào)整器，改變導(dǎo)翼角度，然后反轉(zhuǎn)啟動電機。 其自動化監(jiān)控系統(tǒng)圖如 圖 風機自動監(jiān)控系統(tǒng)硬件圖 本監(jiān)控系統(tǒng)的主通風機采用的是冗余結(jié)構(gòu)，一主一備兩套設(shè)備，在一套出現(xiàn)故障時，另一套可以馬上投入運行。 本設(shè)計按照功能的劃分為：控制、通信、傳動和檢測四大部分 ： 控制部分的核心是安裝在現(xiàn)場的 PLC柜的西門子 S7300可編程控制器，它的任務(wù)包括實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的邏輯控制、輸入 /輸出的邏輯閉鎖保護，通風機運行參數(shù)的實時采集以及數(shù)據(jù)的格式化處理等方面。用 PROFIBUS電纜連接 PLC上的 MPI端口和上位機的 CP5611卡的 9 針 D 型接口 傳動部分采用的是用四個 11KV 的異步電動機來拖動風機葉輪。把這些信息送到 PLC 的輸入 /輸出模塊以便處理。 2）采用模塊化設(shè)計方案，各部分相對獨立，留有備用通道，便于擴展。 4）流量監(jiān)測措施獨特、新穎、可靠性好，精度高。 6）操作簡單、維護方便。 PLC 和觸摸屏之間通過 MPI 接口通訊。 風機參數(shù)的檢測 1）溫度信號的檢測： 電機的定子溫度和三相繞組的溫度是由裝在風機內(nèi)部的 PT100測量電阻得到的 ,流體溫度是由北京昆侖海岸傳感器技術(shù)中心 JWB 防爆一體化 溫度變中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 送器，輸出的都是 4～ 20mA，將這些信號通過屏蔽雙絞線傳到由 北京智能拓維技術(shù)研究所 生產(chǎn)的多路溫度巡檢儀 工作環(huán)境： 050℃ ；濕度 90RH%； 儀表精度： 級 供電電源： AC100250V 整機功耗： 4VA 輸入信號： pt100 鉑電阻 通信輸出 :RS485，可以通過此串口與 S7300 的 CP340 2）風機啟 /停信號檢測： SG4KGT9 型開停傳感器主要用于監(jiān)測煤礦井下各種交流驅(qū)動機電設(shè)備 啟/停狀態(tài)，并把檢測到的設(shè)備開停信號轉(zhuǎn)換成各種標準信號傳輸給 PLC。采用新型抗干擾 結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)新穎、安裝使用方便 、 功耗低、適應(yīng)性強 、性能穩(wěn)定可靠、維護工作量小等特點， 主要技術(shù)指標 防爆型式 礦用本質(zhì)安全型，標志為 “ExibI \ 輸入電源 工作電壓：本安 DC8～ 24V 工作電流： ≤10mA 輸出信號 ： 4～ 20mA 3）風量的檢測 用的是 由北京昆侖海岸傳感器技術(shù)中心生產(chǎn)的普通型渦街流量計。一體化振動變送器主要安裝在各種旋轉(zhuǎn)機械裝置的軸承蓋上，可測量振動速度或者振動幅度。 0～ 10mm/s 0～ 20mm/s 0～ 50mm/s， 0～ 100um 0～ 200um 0～ 500um 信號輸出：標準電流 4～ 20mA， 輸出阻抗： ≤500 Ω ， 電源： DC24V， 安裝方式：垂直或水平安裝于被測振動源上 ， 使用環(huán)境：溫度 40℃ ～ 60℃ 、相對濕度 ≤90% 5） 壓力檢測 需