礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 礦井 通風(fēng)機(jī) 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 通風(fēng)機(jī)是煤礦的四大固定設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流的重任，具有 “礦井肺腑 ”之稱。由于井下工作環(huán)境惡劣，主通風(fēng)機(jī)工作電壓較高，電流較大，出現(xiàn)故障的概率也較大。一旦發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)礦區(qū)的生產(chǎn)和安全造成重大影響。因此，有必要建立一套功能完善的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井主通風(fēng)機(jī)性能及狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便在生產(chǎn)過程中及時(shí)掌握主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，這也是主通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦事故 70%以上是由于通風(fēng)設(shè)備故障、通風(fēng) 管理不善等所造成。隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)效率的提高，井下通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)監(jiān)控也必須提出了更高的要求。利用設(shè) 備在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患十分必要 。高壓變頻技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為滿足煤礦生產(chǎn)的上述要求提供了可能。本監(jiān)控系統(tǒng)就是在此背景下提出的。 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究狀況 國(guó)外很早就對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究。至 90 年代，一般的風(fēng)機(jī)均配有在線監(jiān)控系統(tǒng)，集保護(hù)、檢測(cè)、控制于一體，不但能實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，主要能進(jìn) 行故障診斷，預(yù)測(cè)使用壽命，預(yù)報(bào)維修極限，成功地對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)，有效的保證了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。美國(guó)煤礦使用的主風(fēng)機(jī)以軸流式為主，近年來開始采用在運(yùn)行中可以改變?nèi)~片角度的液壓式動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，節(jié)能效果好。德國(guó)以 司為代表，采用液壓式動(dòng)葉調(diào)節(jié)的軸流通風(fēng)機(jī)，其運(yùn)行效率可保持在 83% 88%以內(nèi)。國(guó)內(nèi)在這兩方面起步比較晚。風(fēng)量調(diào)節(jié)方法都比較落后，需要在停機(jī)的情況下進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)或者是隔一段時(shí)間才能調(diào)節(jié)一次。其一這種人工操作方法只能做到階段性調(diào)節(jié)而不能做到及時(shí)連續(xù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，而且實(shí)時(shí)性差，風(fēng)量控制不準(zhǔn)確，自動(dòng)化 程度不高；另外，我國(guó)煤礦主通風(fēng)機(jī)一般都在遠(yuǎn)離煤礦管理部門的井田邊緣，通風(fēng)設(shè)備的管理由于風(fēng)量參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)而成為煤礦自動(dòng)化管理的薄弱環(huán)節(jié)。目前大部分廠家只對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)測(cè)，或是對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)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(cè)診斷設(shè)備對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期檢測(cè)。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(cè)診斷設(shè)備對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期檢測(cè)。 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(shè)計(jì)了綜合現(xiàn)代化通信、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制與檢測(cè)技術(shù)的全分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，它具有顯示、打印、報(bào)警、狀 態(tài)識(shí)別、趨勢(shì)分析、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡等功能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。但與國(guó)外還是存在著一定的距離。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,科 技人員的不斷努力，礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控取得了一定的成績(jī) ,但也明顯存在一些不足礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控主要還處在監(jiān)測(cè)水平，其控制功能 2 很弱，對(duì)主通風(fēng)機(jī)的控制和故障診斷基本上還處 在研究階段，礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控的可靠性有待進(jìn)一步提高，礦井主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控是一個(gè)較獨(dú)立的系統(tǒng) ,未與整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)、整個(gè)煤礦管理系統(tǒng)取得協(xié)調(diào)的聯(lián)系。 針對(duì)以上不足，為了 進(jìn)一步提高煤礦自動(dòng)化管理水平 ,提高生產(chǎn)的安全程度，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，礦并主通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控應(yīng)在如下幾個(gè)方面發(fā)展： (1)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向集散化結(jié)構(gòu)發(fā)展 新推出的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)基本上都采用集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一般由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控分站和控制中心主站組成。分站以脫離主站自動(dòng)實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)測(cè)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 ，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警、處理、分析、報(bào)表打印等。 (2)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)開放化 新推出的集散監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(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(cè)控系統(tǒng)，只要遵循這些規(guī)程，就能夠與其它系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，方便地組成多節(jié)點(diǎn)的計(jì)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(cè)監(jiān)控系統(tǒng)智能化 主要是指?jìng)鞲衅鞯闹悄芑?，如不斷推出的具有自?dòng)校正、靈敏度自動(dòng)補(bǔ)償、非線性自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ艿闹悄軅鞲衅鳌?(4)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件發(fā)展趨勢(shì) 包括操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(cè)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(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)軟件目前停留在對(duì)被監(jiān)測(cè)量的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、超限報(bào)警及斷電、以曲線、圖形和報(bào)表形式輸出的水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的最基本處理，在此基礎(chǔ)上，國(guó)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(duì)各種安全隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)，使安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。 本論文以礦井對(duì)旋軸流 風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，以西門子 編程邏輯控制器作為監(jiān)控核心，運(yùn)用溫度，壓力，振動(dòng)等傳感器和電量采集單元對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及各種電量參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，利用 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?jī)?nèi)容如下： 1 實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)、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(dòng)和自動(dòng)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(shí)，該系統(tǒng)能根據(jù)壓力傳感器的模擬量輸入，經(jīng) 部運(yùn)算，計(jì)算出系統(tǒng)滿 3 足安全生產(chǎn)所需的風(fēng)量大小對(duì)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(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3 本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警功能，如風(fēng)機(jī)定子，軸承溫度超限，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常報(bào)警，以及變頻器出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警，及時(shí)處理的功能。 4 用工程制圖軟件繪制系統(tǒng)主電路圖和 擴(kuò)展模塊接線圖。 5 用 程軟件編出 形圖。 6 用 場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成對(duì) 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(cè)系統(tǒng)主界面和 制變頻器調(diào)速系統(tǒng)主界面。并生成性能參數(shù)實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢(shì)曲線，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報(bào)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(shì)曲線、超限報(bào)警和數(shù)據(jù)報(bào)表功能。 4 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(cè)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(cè)以工控領(lǐng)域的可編程控制器 (組態(tài)軟件為核心，以標(biāo)準(zhǔn)控制柜作為信號(hào)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)。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。 風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)中引入變頻器對(duì)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(dòng)和保護(hù)等要求。 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(jí)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(duì)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。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(duì)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/ 風(fēng)量（ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。/h） 全壓（ 效率（ %） 直徑（ 2900 540020000 配用電機(jī)基本參數(shù) 型號(hào) 轉(zhuǎn)速（ r/ 功率（ 額定電壓（ V） 額定電流（ A） 900 42 380 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo) 單位時(shí)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/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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(dòng)壓和全 5 壓，其單位為 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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。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。 2)動(dòng)壓 指單位體積的流體所具有的動(dòng)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(dòng)壓，其大小用下式計(jì)算： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 氣體中某點(diǎn)的動(dòng)壓， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 動(dòng)壓測(cè)量處的空氣密度， 誤 !未找到引用源。 ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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(dòng)壓的代數(shù)和，以 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表示： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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(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(duì)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 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)全壓有效功率， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)的全壓， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量， m/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 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(jì)算 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)靜壓有效功率， 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 6 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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， 5 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速是指通 風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)，以 n 表示，單位為 r/ 機(jī)的特性曲線 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。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(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。 N 曲線在流量為零時(shí)最大 當(dāng)流量增大時(shí)， 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(dòng)時(shí)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(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。 n 曲線在最高效率點(diǎn)附近迅速下降 流量不在設(shè)計(jì)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(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(shì)中它和 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。 Q n 曲線在整個(gè)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 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(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(cè)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。 7 圖 1 軸流式風(fēng)機(jī)的性能曲線 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(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。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(duì)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(dòng)葉調(diào)節(jié)。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)。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(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。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)。 述 國(guó)際電工委員會(huì) ( 定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電 8 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)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏 輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)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。 基本構(gòu)成 圖 2 一般構(gòu)成 (l)中央處理單元 (中央處理單元 (般由控制器，運(yùn)算器和寄存器組成，它是 核心部分。它的主要任務(wù)有 :控制接收和存儲(chǔ)編程設(shè)備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)；診斷 部電路的工作故障和編程中的錯(cuò)誤 ;掃描 I/O 接收的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行控制。 (2)存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是 放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放 產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 儲(chǔ)器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲(chǔ)器主要包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)二個(gè)部分。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 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 現(xiàn)場(chǎng) I/O 設(shè)備相連接的部件，它的作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換位 夠接收和處理的信號(hào)，將 來的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需 的強(qiáng)電信號(hào)。 (4)電源單元 電源單元是 電源供給部分。它的作用是把外部供應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換成 儲(chǔ)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 以通過外設(shè)接口與監(jiān)視器、打印機(jī)、 計(jì)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 配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 工作原理 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) 入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段 戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期，在整個(gè)運(yùn)行期間， 一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，各個(gè)階段的功能如下： (l)輸入采樣階段： 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 9 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，其內(nèi)容保持不變，一直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段。 (2)程序執(zhí)行階段： 據(jù)讀入的輸入映像寄存器中的信號(hào)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。 (3)輸出刷新階段：當(dāng) 所有的程序指令執(zhí)行完后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)在輸出刷新階段被轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動(dòng)及轉(zhuǎn)速等。為減少傳輸誤差，提高檢測(cè)精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長(zhǎng)、輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) 4 20 傳感器，直接采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，并配以二線制 纜單獨(dú)傳送，以進(jìn)一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示： 圖 3 傳感器與 展模塊的連接 壓、風(fēng)量參數(shù)的檢測(cè) 這里 主要測(cè)靜壓 ) 一般都是采取鉆孔取壓法，測(cè)點(diǎn)選擇在風(fēng)機(jī)的入口，將取得的壓力信號(hào)通過壓力傳感(變送 )器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 壓力傳感器的選型需考慮礦井通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)壓及測(cè)量精度的要求。本設(shè)計(jì)中選用列中量程為 0壓力傳感器。 列微差壓變送器采用進(jìn)口高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片，經(jīng)嚴(yán)格精密的溫度補(bǔ)償，線性補(bǔ)償，信號(hào)放大， V/I 轉(zhuǎn)換，逆極性保護(hù)，壓力過載限流等信號(hào)處理，將很微小的差壓信號(hào)可靠的轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 4010V 電壓信號(hào)輸出，可測(cè)小于 100壓力 其主要技術(shù)指標(biāo)： 測(cè)量范圍 0點(diǎn)漂移 量介質(zhì) 非腐蝕性氣體 零點(diǎn)溫度漂移 出信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)量程的 非線性 S 10 輸出信號(hào) 4滯 S 供電 24復(fù)性 S 精度 溫度范圍 5 2 風(fēng)量 風(fēng)量參數(shù)是利用風(fēng)機(jī)入口靜壓差及入口溫度計(jì)算得來的。計(jì)算公式： 式中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為 量到靜壓， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為入口壓力壓 )的 絕對(duì)值 (正值 )， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為入口溫度，系數(shù) k 因風(fēng)機(jī)參數(shù)的不同而異。風(fēng)量監(jiān)測(cè)采用 礦用智能風(fēng)量傳感器。 3. 負(fù)壓 對(duì)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。 動(dòng)參數(shù)的檢測(cè) 風(fēng)機(jī)軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測(cè)量軸承的振動(dòng)峰值、均方根值或均值，將這些測(cè)量值與事先標(biāo)定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運(yùn)行情況的正常與否。具體測(cè)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(hào) ，經(jīng)過振動(dòng)變送器送到 ，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。通過風(fēng)機(jī)振動(dòng)位移和振動(dòng)周期可以反映風(fēng)機(jī)潛在的故障，避免風(fēng)機(jī)停機(jī)等嚴(yán)重故障發(fā)生。 常用的振動(dòng)測(cè)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。根據(jù)所需測(cè)量的參數(shù)要求，一般在選用時(shí)應(yīng)考慮以下因素： 若需測(cè)量振動(dòng)位移值則應(yīng)選用電渦流式傳感器； 若需測(cè)量振動(dòng)速度或烈度值則應(yīng)選用速度式傳感器； 若需測(cè)量振動(dòng)加速度值則應(yīng)選用加速度式傳感器。 經(jīng)過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測(cè)振儀器廠生產(chǎn)的 電磁式速度傳感器。其技術(shù)指標(biāo)如下： 測(cè)量范圍： 15 1000敏度： 30mv/mm/s 精度：線性誤差： 測(cè)量方向：水平或垂直 電源： 12V 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 )，交點(diǎn) A、 B、 C 為礦井通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)。 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 )。假設(shè)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工作在 A 點(diǎn)效率最高，輸出風(fēng)量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。為 100%，對(duì)應(yīng)的軸功率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 從與風(fēng)量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和風(fēng)壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的乘積面積 A 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 成正比。 如果生產(chǎn)要求風(fēng)量從 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 減少到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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)。從圖中可以看出，風(fēng)量雖然減小了，風(fēng)壓反而增加了，代表軸功率的面積 B 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 比調(diào)節(jié)前減少不多。 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 表軸功率的面積 C 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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。 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： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源 。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 15 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速， r/ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率， W。 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。如果通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低為原來 的 50%，則風(fēng)量也變?yōu)樵瓉淼?0%，功率降低為原來的 這說明通過改變通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式，可以改變通風(fēng)機(jī)的功率輸入，可以節(jié)省大量的電能。根據(jù)上述變頻調(diào)速的原理，礦井通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。的改變，可以通過改變通風(fēng)機(jī)輸入電源的頻率 一過程可以通過變頻器來完成。 頻器的結(jié)構(gòu) 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。交一交變頻器可將工頻交流電直接轉(zhuǎn)變成頻率和電壓均可控制的交流電，又稱為直接變頻器。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。目前，使用最多的通用變頻器多是交一直一交變頻器，它由主電路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 5 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖 (1)整流器 整流器即是網(wǎng)側(cè)變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。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 16 率、電壓調(diào)節(jié)后的交流電，輸出給外部設(shè)備。六個(gè)半導(dǎo)體主少干關(guān)器件組成的橋式電路是常見的逆變電 路，通過控制電路控制開關(guān)器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。 (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。這種無功能量需要中間直流環(huán)節(jié)中的電容器或電抗器來進(jìn)行緩沖 (4)控制電路 控制電路是變頻器的核心，它通常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路和保護(hù)電路等組成，其作用主要是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制和頻率控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等 制變頻器的 方式 在許多工程應(yīng)用中，為了提高控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，需要把 變頻器結(jié)合起來使用 ，對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制?？偟膩碚f， 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。通過對(duì)變頻器控制端子邏輯輸入口的邏輯組合，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟?？刂坪洼敵鲱l率的改變網(wǎng)。其邏輯組合控制是用 輸出去控制變頻器控制端子的 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。由于變頻器控制端子的輸出頻率是預(yù)先設(shè)定的，它的輸出頻率也只是一些固定的數(shù)值，不能實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的無級(jí)平滑調(diào)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(chǎng)合。 (2)通訊的方式 目前一般的變頻器都帶有 口，大多數(shù)的 都支持 通訊。通過串行電纜把 變頻器的 訊接口連接起來，用通訊的方式把頻率由 給變頻器，這就是 制變頻器的通訊方式。在這種控制方式中，要占用 一個(gè)通訊接口，如果 通訊接口為 口，加一個(gè)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 口就可以了。如 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(tái)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(tái)變頻器的聯(lián)動(dòng)控制和同步控制。由于變頻器的種類很多，不同廠家生產(chǎn)的變頻器使用不同的通信協(xié)議，有 站協(xié)議、 議和用戶自定義協(xié)議等，必須用變頻器支持的協(xié)議來完成 變頻器的通訊。 (3)模擬量控制的方式 現(xiàn)在生產(chǎn)的 般都具有模擬量信號(hào)處理的功能，模擬量信號(hào)通過 A/D 模塊和 D/出 010V 的電壓或 420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 制變頻器的方式，稱為模擬量的控制方式。它要求 變頻器的控制距離不是很遠(yuǎn)，且是一對(duì)一的控制場(chǎng)合，但這種控制方式使用起來比較簡(jiǎn)單，對(duì) 要求也不是很高。由于本控制系統(tǒng)中采用的是兩臺(tái)變頻器控制對(duì)旋軸流風(fēng)機(jī)兩臺(tái)電機(jī)的方案，是一對(duì)一控制，為說明問題，本系統(tǒng)采用 17 3通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)共分三層：設(shè)備層，控制層，監(jiān)控層 設(shè)備層即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量層主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變量參數(shù)的 測(cè)量和風(fēng)機(jī)的控制，由各種傳感器，電量監(jiān)測(cè)設(shè)備，變頻器等組成，完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制和監(jiān)控設(shè)備本身的運(yùn)行工況參數(shù)的采集。 中央控制層由帶有以太網(wǎng)接口的 成， 為總站，就地站以及遠(yuǎn)程輸入站作為從站，采用 場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互連，節(jié)省了大量的 A/D 等傳輸和轉(zhuǎn)換模塊。通過以太網(wǎng)交換機(jī)與上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)，向工控機(jī)傳送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài) (運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等 )，同時(shí)接收工控機(jī)的控制命令，采集風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工況參數(shù) (如風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)軸承溫度、電機(jī)定子繞組溫度、電壓、電流、 功率因數(shù)、功率和開關(guān)狀態(tài)等 )，其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后遠(yuǎn)傳給上層監(jiān)控管理層的工控機(jī)。 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層直接接入礦調(diào)度室，由上位工控機(jī)、打印機(jī)、不間斷電源等設(shè)備組成，提供集中監(jiān)控管理功能，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行工況、故障報(bào)警與分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成打印、歷史數(shù)據(jù)記錄管理等操作。 18 圖 6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)技術(shù) 隨著計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的 制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線有著分散控制更徹底、開 放性好、可靠性高、總體價(jià)格也較便宜等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始。 對(duì)于礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)而言，為保證通風(fēng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行，其功能必須涵蓋通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)啟?？刂?、風(fēng)門的開合、風(fēng)量調(diào)節(jié)、各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)以及上下位機(jī)通信等多個(gè)方面。大型煤礦生產(chǎn)企業(yè)所應(yīng)用的生產(chǎn)設(shè)備往往多而分散，對(duì)于傳統(tǒng)的基于 產(chǎn)品的監(jiān)控系統(tǒng)來說，如不采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將各生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)地連為一體，則難以及時(shí)有效地對(duì)各設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，在很大程度上不 利于生產(chǎn)效率和安全性的提升。與此同時(shí)，以太網(wǎng)作為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)正向自動(dòng)化領(lǐng)域逐步滲透，從企業(yè)決策層、生產(chǎn)管理調(diào)度層向現(xiàn)場(chǎng)控制層延伸。以太網(wǎng)傳輸速度的提高、高速以太網(wǎng)的應(yīng)用以及工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)部件推出，使影響以太網(wǎng)進(jìn)入工控領(lǐng)域的確定性問題和可靠性問題逐漸得到解決。以太網(wǎng)將能逐步勝任那些目前由工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的控制任務(wù)，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)將會(huì)更多地出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中，成為一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、實(shí)用的企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)方案。工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術(shù)和 P 技術(shù)開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用于工廠 的控制級(jí)通信，以實(shí)現(xiàn) 間， 之間的通信。 場(chǎng)總線與以太網(wǎng)的互連 為了解決現(xiàn)場(chǎng)總線面臨著標(biāo)準(zhǔn)繁多、難以與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)集成等諸多問題，于是就出現(xiàn)了把自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)結(jié)合起來，集管理和控制為一體的系統(tǒng)。一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)常采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。底層用現(xiàn)場(chǎng)總線以便控制裝置盡可能靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的集中管理和分散控制，這種將兩層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到自動(dòng)化系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)信息的完全共享，極大的提高了對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)過程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能，提高了系統(tǒng) 的利用率。工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可以避免，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互相促進(jìn)、共同發(fā)展，并保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展在技術(shù)升級(jí)方面無需單獨(dú)的研究投入。其互連模型如圖 7 所示： 19 圖 7 現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)方法 本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線采用 線。 般用于車間設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)通信，主站（ ）通過標(biāo)準(zhǔn)的 用電纜與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（遠(yuǎn)程 I/O， 驅(qū)動(dòng)器，閥門，智能傳感器等）進(jìn)行通信，對(duì)整個(gè) 絡(luò)進(jìn)行管理和控制。用雙絞線或光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率從 s 到 12s。 以通過 信模塊連接到 絡(luò)中。 同時(shí)本系統(tǒng)中采用 太網(wǎng)通信模塊將 接到工業(yè)以太網(wǎng)中。借助于 以用于遠(yuǎn)程組態(tài)，編程和診斷。 20 4系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件連接見附錄 1。 主電路中 對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)電機(jī)，交流接觸器 別控制 工頻運(yùn)行；交流接觸器 別控制 變頻運(yùn)行；主電路電源的隔離開關(guān)； 主電路的熔斷器； 電機(jī) 熱繼電器。 21 圖 8 主電路圖 在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的控制電路部分，利用 行控制，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性、節(jié)省大量的繼電器、實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯控制以及進(jìn)行模擬量控制等功能?？刂葡到y(tǒng)采 用 7列 時(shí)外部擴(kuò)展 塊。本控制系統(tǒng)接線圖如下圖 9 所示。 該 制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動(dòng)工頻、自動(dòng)變頻和手動(dòng)變頻運(yùn)行的切換，其中手動(dòng)變頻是指使用變頻器控制面板手動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行。在風(fēng)機(jī)自動(dòng)變頻運(yùn)行時(shí)，是利用采集到的風(fēng)壓信號(hào)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制。其中按鈕 制風(fēng)機(jī)的自動(dòng)變頻運(yùn)行；按鈕 制風(fēng)機(jī)的手動(dòng)變頻運(yùn)行；按鈕 制風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn)行；按鈕 制風(fēng)機(jī)的停止；按鈕 報(bào)警燈鈴的調(diào)試按鈕； 消鈴按鈕； 別 為 別為 頻運(yùn)行的指示燈； 變頻器故障報(bào)警指示燈； 1#電機(jī)振動(dòng)異常指示燈； 2#電機(jī)振動(dòng)異常指示燈； 井巷壓力下限指示燈； 1#電機(jī)溫度上限指示燈； 2#電機(jī)溫度上限指示燈； 22 圖 9 控制電路 系統(tǒng)的 I/O 地址分配如下表所示： 名稱 代碼 地址編碼 輸入信號(hào) 自動(dòng)變頻按鈕 動(dòng)變頻按鈕 頻運(yùn)行切換按鈕 止運(yùn)行按鈕 頻器 1 故障輸入 1頻器 2 故障輸入 223 試燈鈴按鈕 鈴按鈕 動(dòng)變送器輸入 壓傳感器輸入 力傳感器輸入 #電機(jī)定子溫度輸入 #電機(jī)軸承溫度輸入 #電機(jī)定子溫度輸入 #電機(jī)軸承溫度輸入 稱 代碼 地址編碼 輸出信號(hào) 1#風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 #風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 #風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行接觸器 指示燈 #風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行接觸器 指示燈 頻器 1 啟動(dòng) 1頻器 1 故障復(fù)位 1頻器 2 啟動(dòng) 2頻器 2 故障故障復(fù)位 2頻器故障信號(hào)燈 #電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 #電機(jī)振動(dòng)異常指示燈 巷壓力下限指示燈 #電機(jī)溫度上限指示燈 #電機(jī)溫度上限指示燈 警電鈴 壓模擬量輸出 1 I/O 地址分配 24 件的選型 選型 在進(jìn)行 號(hào)的選擇時(shí)，要考慮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，選擇低檔機(jī)、中檔機(jī)還是高檔機(jī)。另外，還要考慮 數(shù)的要求，一般在確定控制系統(tǒng)的 數(shù)后，還要留有 15%一 20%備選 數(shù)。同時(shí)，還要考慮 存儲(chǔ)容量，還要留有 30%一 50%的裕量。最后還要根據(jù)系統(tǒng)的功能要 求，考慮是否要選擇模擬量輸入 /輸出模塊和特殊功能模塊。 有 24 輸入 /16 輸出，共 40 個(gè)數(shù)字量 ；有 2 個(gè) 信 /編程接口；有 制器，具有 整定的功能；也有 自由方式通信的能力。更大的存儲(chǔ)空間，更強(qiáng)的擴(kuò)展能力及更快的運(yùn)行速度和強(qiáng)大的內(nèi)部集成特殊功能，使其可以滿足復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)的要求。 在本設(shè)計(jì)中共有 8 輸入 /11 輸出， 7 點(diǎn)模擬量輸入和 1 點(diǎn)模擬量輸出。綜合上述條件，本系統(tǒng)選用 司 列 外選用 塊和 塊。 塊有 4 點(diǎn)模擬量輸入， 1 點(diǎn)模擬量輸出。 4 點(diǎn)模擬量輸入。同時(shí)由于本系統(tǒng)要求 100 230V 源， 入，繼電器輸出 ， 選擇 16號(hào) 。 統(tǒng)配置具體如下： 功能 型號(hào) 數(shù)量 主控單元 C/ 模擬量擴(kuò)展 44 1 通訊模塊擴(kuò)展 以太網(wǎng) 1 表 2 元選型 頻器的選型 容量選擇 風(fēng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí) ,其阻轉(zhuǎn)矩一般不會(huì)發(fā)生變化 ,只要轉(zhuǎn)速不超過額定值 ,電動(dòng)機(jī)也不會(huì)過載 ,一般變頻器在出廠標(biāo)注的額定容量都具有一定的余量安全系數(shù) ,所以選擇變頻器容量與所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量相同即可。若考慮更大的余量 ,也可以選擇比電動(dòng)機(jī)容量大一個(gè)級(jí)別的變頻器 ,但價(jià)格要高出不少 風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制后 ,操作人員可以通過調(diào)節(jié)安裝在工作臺(tái)上的按鈕或電位器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,操作十分簡(jiǎn)易方便。變頻器的運(yùn)行控制方式選擇，可依據(jù)風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，阻轉(zhuǎn)矩很小，不存在低頻時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載的問題， 故采用 V/F（恒壓頻比）控制方式即可。并且，從節(jié)能的角度考慮， V/F 控制方式是最低的。 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載在一定的速度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣或液體所產(chǎn)生的阻力大致與轉(zhuǎn)速 矩按轉(zhuǎn)速平方的變化而變化，這類負(fù)載稱為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。根據(jù)變頻器的選擇原則，該系統(tǒng)中選用的是兩臺(tái)型號(hào)為 機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專用變 25 頻器。使用 V/F 控制方式的變頻器來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍 250按照專用要求設(shè)計(jì)，并 使用內(nèi)部功能互聯(lián)（ 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 24此可以選擇同樣功率的變頻器。 圖 10 變頻器與 連接 圖 10 中變頻器的故障信號(hào)輸出接 口， 輸出端口 變頻器的數(shù)字輸入端 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) 理后，由 塊的 3 口和 5 口輸出，連接 頻器的 而控制兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。 頻器輸入值計(jì)算 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： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速， r/ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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)，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 誤 !未找到引用源。 /s 假設(shè)某煤礦一井下掘進(jìn)工作面需要 19 人工作，根據(jù)煤 26 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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s，如設(shè)定為 5 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /s，可計(jì)算出要求風(fēng)機(jī)管道的出氣風(fēng)量為 Q=誤 !未找 到引用源。 /s。令 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =2900r/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =50錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=(錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /錯(cuò)誤 !未找到引用源。 )錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1744r/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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s 時(shí)，變頻器輸出給風(fēng)機(jī)的電源電壓頻率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =(錯(cuò)誤 !未找到引用源。/錯(cuò)誤 !未找到引用源。 )錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =30 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，求出風(fēng)量達(dá)到設(shè)定的 誤 !未找到引用源。 /s 時(shí)，風(fēng)機(jī)需要調(diào)整的轉(zhuǎn)速大小。由于變頻器 0模擬輸入電壓對(duì)應(yīng) 0輸出電壓頻率，而 050電壓頻率又對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī) 0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)機(jī)在剛開始啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力最小為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，輸入電 源電壓頻率為 30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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，風(fēng)壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=機(jī)轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1744r/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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =30，對(duì)應(yīng)變頻器的模擬輸入電壓 錯(cuò)誤 ! 27 未找到引用源。 =30/50 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 10=風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力由 錯(cuò) 誤 !未找到引用源。 增加 到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，時(shí)，工況點(diǎn)由 0 到 1，風(fēng)量由 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 減小到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。此時(shí)，壓力傳感器采集的壓力為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，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。 (4式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤