Word版可編輯-基于PLC的礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)設計畢業(yè)設計精心整理.doc

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日學位論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文系本人在導師指導下獨立完成的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標記和致謝的部分外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含本人為獲得任何教育機構的學位或學歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。本人如違反上述聲明，愿意承擔由此引發(fā)的一切責任和后果。研究生簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權聲明本人在導師指導下所完成的學位論文，學校有權保存其電子和紙制文檔，可以借閱或上網公布本學位論文的全部或部分內容，可以向有關部門或機構送交并授權其保存、借閱或上網公布本學位論文的全部或部分內容。對于保密論文，按保密的有關規(guī)定和程序處理。本學位論文屬于：1. 保密 ，在 年解密后適用于本聲明；2.不保密 。研究生簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)論文基本要求1畢業(yè)論文的撰寫應結合專業(yè)學習，選取具有創(chuàng)新價值和實踐意義的論題。2論文篇幅一般為8000字以上，最多不超過15000字。3論文應觀點明確，中心突出，論據充分，數(shù)據可靠，層次分明，邏輯清楚，文字流暢，結構嚴謹。4論文字體規(guī)范按廣東金融學院本科生畢業(yè)論文寫作規(guī)范和“論文樣板”執(zhí)行。5論文應書寫工整，標點正確，用微機打印后，裝訂成冊。指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）指導教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評定成績： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學系意見：系主任： （簽名）年 月 日摘 要煤礦的安全生產中，礦井通風系統(tǒng)起著極其重要的作用，它是煤礦安全生產的關鍵環(huán)節(jié)。而礦井通風機又是礦井通風系統(tǒng)的主要設備之一，因此對其進行PLC控制的變頻調速系統(tǒng)的設計和研究，不僅可以大大提高煤礦生產的機械化、自動化水平，還能節(jié)省大量的電能，具有較高的經濟效益。煤礦主通風機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括風機性能檢測和風機風量調節(jié)控制兩部分。本文以一臺礦用對旋軸流風機為控制對象，結合PLC控制技術、變頻調速技術和組態(tài)監(jiān)控技術，對礦井通風機進行了PLC控制的狀態(tài)監(jiān)測和變頻調速的設計和研究。監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機加下位機的設計模式。下位機采用可靠性高的可編程邏輯控制器，通過各種傳感器和電量采集單元實時監(jiān)測通風機的性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)、電機的電氣參數(shù)并能實現(xiàn)遠程通訊。上位機應用北京亞控科技公司開發(fā)的KINGVIEW6.52組態(tài)軟件編寫人機界面，將風機工作流程以直觀的畫面顯示出來，實現(xiàn)數(shù)據采集和顯示、關鍵數(shù)據的記錄和報警、生產數(shù)據的存儲和報表輸出、為操作員提供良好的操作界面，完成了風機房的無人值守自動化監(jiān)控和管理的設計和改造。在變風量系統(tǒng)中，主要比較了風門調節(jié)與變頻調節(jié)，顯示出了變頻調節(jié)系統(tǒng)不僅能使風機工作在高效區(qū)，并且其節(jié)能效果要優(yōu)于其它調節(jié)方法，具有很重要的應用前景。風機調節(jié)控制由PLC+變頻器控制電機轉速實現(xiàn)風量控制。同時本文還研究了風量調節(jié)的算法。關鍵詞：PLC控制；變頻調速技術； 礦井通風機； 組態(tài)王軟件； ABSTRACTAs the key component of coal mine safety，mine ventilation system plays an important role in coal mine safety. It is one of the main equipments in the system. So research and design of its variable frequency speed regulation system with PLC control have good economic benefits. It not only improves the mechanical and automatic level of coal production, but also saves large electrical energy.Mine main ventilator monitoring system includes testing and adjusting air volume fan control in two parts. In this paper, a rotating axial flow fan of mine as a control object，combined with PLC control， frequency conversion technology and configuration monitoring technology，PLC control of the mine fan was the state of monitoring and frequency control design and research.Monitoring system uses the host computer plus lower machine design patterns. High reliability and lower machine using programmable logic controller，through a variety of sensors and real-time monitoring of power acquisition unit fan performance parameters and state parameters，the motor electrical parameters and to achieve long-distance communication. We used KINGVIEW6.52 written man-machine interface configuration software developed by Beijing Asia PC application control technology company，the fans to an intuitive work flow screen display， data acquisition and display, record and alarm of critical data，production data storage and Report output for the operator to provide a good user interface，completed the fan room unattended automated monitoring and management of the design and reconstruction.In VAV systems，the main damper adjustment compared with the frequency adjustment，frequency regulation system shows not only make the fans work in high areas，and its energy is more effective than other adjustment methods，a very important application. Regulation and control by the PLC + fan drive motor speed to achieve control of air volume control. At the same time we study the air volume control algorithm.朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音字典Keywords： PLC control； Variable frequency speed regulation technology； Mine ventilator； Kingview software；目 錄1 緒論11.1選題的背景和意義11.2風機監(jiān)控在國內外研究狀況 11.3礦井主風機在線監(jiān)控的展望 11.4本論文的主要工作和安排22系統(tǒng)構成及各部分功能42.1礦井主扇風機42.1.1礦井主扇風機概述42.1.2風機主要技術指標42.1.3風機的特性曲線52.1.4風量的調節(jié)方法72.2可編程控制器的應用72.2.1 PLC概述72.2.2 PLC的基本構成72.2.3 PLC的工作原理82.3風機參數(shù)的檢測82.3.1風壓、風量參數(shù)的檢測92.3.2振動參數(shù)的檢測102.3.3電氣參數(shù)的檢測102.3.4電機軸承和定子溫度檢測102.3.5開關量檢測112.4 變頻調速112.4.1變頻調速技術在礦井通風機上的應用概述112.4.2變頻調速的基本原理112.4.3風機變頻調速節(jié)能分析122.4.4變頻器的結構142.4.5 PLC控制變頻器的方式153通信網絡的實現(xiàn)163.1風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)的整體結構163.2基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網的控制系統(tǒng)163.2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和以太網技術163.2.2現(xiàn)場總線與以太網的互連173.2.3網絡的具體實現(xiàn)方法184系統(tǒng)的硬件設計194.1系統(tǒng)硬件連接194.2主電路194.3控制電路的設計194.4 器件的選型224.4.1PLC的選型224.4.2變頻器的選型224.5變頻器與PLC的連接234.6風量的控制算法234.6.1變頻器輸入值計算234.6.2 U-P和Q-P曲線的擬合255主通風機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計265.1 PLC軟件設計265.1.1主控制程序流程265.1.2子程序0和1程序流程275.1.3子程序2和3程序流程285.1.4子程序4程序流程295.1.5中斷子程序305.2組態(tài)軟件設計305.2.1KINGVIEW 6.52操作界面305.2.2煤礦主通風機在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面305.2.3 PLC控制變頻器調速系統(tǒng)主界面31結論33參考文獻34附錄35翻譯部分40英文原文40中文譯文46致謝52中國礦業(yè)大學2011屆本科生畢業(yè)設計（論文）第49頁1 緒論1.1選題的背景和意義通風機是煤礦的四大固定設備之一，它擔負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，主通風機工作電壓較高，電流較大，出現(xiàn)故障的概率也較大。一旦發(fā)生故障，將會對整個礦區(qū)的生產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監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井主通風機性能及狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，以便在生產過程中及時掌握主通風機的運行參數(shù)和狀態(tài)，這也是主通風機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。據統(tǒng)計，煤礦事故70%以上是由于通風設備故障、通風管理不善等所造成。隨著煤礦生產規(guī)模的擴大、生產效率的提高，井下通風系統(tǒng)對通風設備的監(jiān)測監(jiān)控也必須提出了更高的要求。利用設備在線監(jiān)測監(jiān)控等相關技術，實時調節(jié)風機運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患十分必要。高壓變頻技術、智能控制技術、傳感器技術、現(xiàn)場總線技術以及工業(yè)以太網技術的迅速發(fā)展，為滿足煤礦生產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。1.2 風機監(jiān)控系統(tǒng)國內外研究狀況國外很早就對風機進行了研究。至90年代，一般的風機均配有在線監(jiān)控系統(tǒng)，集保護、檢測、控制于一體，不但能實現(xiàn)風量的自動調節(jié)，主要能進行故障診斷，預測使用壽命，預報維修極限，成功地對風機進行了檢測，有效的保證了礦井通風系統(tǒng)的安全運行。美國煤礦使用的主風機以軸流式為主，近年來開始采用在運行中可以改變葉片角度的液壓式動葉可調風機，節(jié)能效果好。德國以TLT公司為代表，采用液壓式動葉調節(jié)的軸流通風機，其運行效率可保持在83%88%以內。國內在這兩方面起步比較晚。風量調節(jié)方法都比較落后，需要在停機的情況下進行手動調節(jié)或者是隔一段時間才能調節(jié)一次。其一這種人工操作方法只能做到階段性調節(jié)而不能做到及時連續(xù)自動調節(jié)，而且實時性差，風量控制不準確，自動化程度不高；另外，我國煤礦主通風機一般都在遠離煤礦管理部門的井田邊緣，通風設備的管理由于風量參數(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。1.3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,提高生產的安全程度，降低工人勞動強度，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)點的計算機局域網絡，實現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據共享。(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)據的最基本處理，在此基礎上，國內正在開發(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)。1.4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 S7-200 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)能根據壓力傳感器的模擬量輸入，經PLC內部運算，計算出系統(tǒng)滿足安全生產所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經擴展模塊模擬量輸出控制變頻器自動調整風機的轉速。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。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STEP7-Micro/WIN編程軟件編出PLC梯形圖。6 用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網完成對PLC通信網絡的組建。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)據歸檔、數(shù)據報表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛取L量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數(shù)據報表功能。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)以太網和煤礦安全監(jiān)控網絡系統(tǒng)的信息共享。風機風量的調節(jié)中引入變頻器對風機風速的調節(jié)，據所需風量和風壓大小通過變頻器來調節(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。2.1礦井主扇風機2.1.1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（m3/h）全壓（Pa）效率（%）直徑（mm）29005400-90001200-240085.5400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）Y112M22900423808.52.1.2風機主要技術指標1.風量單位時間內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/s32.風壓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Psti表示，在實際的通風網路中，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：Pdi=12v2式中：Pdi氣體中某點的動壓，Pa；動壓測量處的空氣密度，kg/m3；v氣體的流速，m/s3)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Pi表示：Pi=Pdi+Psti3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對氣體做的有用功，通風機的全壓有效功率用下式計算:Nx=PiQ1000Nx通風機全壓有效功率，kW；Pi通風機的全壓，Pa；Q通風機的風量，m/s3。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:Nxst=PstQ1000式中:Nxst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：=pQ1000Nst=pstQ1000N式中, st通風機的全壓效率和靜壓效率；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的實際轉數(shù)，以n表示，單位為r/min。2.1.3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。1.QH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。2.QN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。3.Qn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，一般都沒有調節(jié)閥門來調節(jié)流量。因此，QH曲線和QN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QH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Q-H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。Qn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QH曲線和Qn曲線也就決定了軸流式風機的正常工作范圍，即在QH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。圖1 軸流式風機的性能曲線2.1.4風量的調節(jié)方法通風機的調節(jié)是為了改變通風機的流量，以滿足實際工作的需要，故通風機的調節(jié)又稱流量調節(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。主要的調節(jié)方法或改變風機運行工況有兩大類：改變管網性能曲線和改變通風機性能曲線。改變管網曲線主要是在通風機的管路上設置節(jié)流閥或風門來調節(jié)流量，風門調節(jié)是利用風門來增大風道阻力，以較少風量，這種調節(jié)最不經濟，人為的增加網絡的阻力也就是增大了每立方米空氣所消耗的電能。當然這比不進行調節(jié)而供給過多的風量還是有利的（對功率曲線在調節(jié)范圍內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。定速調節(jié)包括入口導葉調節(jié)及動葉調節(jié)。變速調節(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。變速調節(jié)大大減少附加的節(jié)流損失，在很大變工況范圍內保持較高的效率，與傳統(tǒng)的節(jié)流調節(jié)相比，不產生其他調節(jié)方式附加損失，降低了功率消耗，節(jié)約了電能，具有良好的經濟效益。由于高壓變頻器發(fā)展，煤礦主通風機變頻調節(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，風機風量調節(jié)選用變頻調節(jié)。2.2可編程控制器的應用2.2.1 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過程。2.2.2 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；診斷PLC內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)，并按照用戶程序對信息進行處理，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信號。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源轉換成CPU、存儲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)外設接口與擴展接口PLC可以通過外設接口與監(jiān)視器、打印機、PLC或計算機相連。擴展接口用于將擴展單元以及功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。2.2.3 PLC的工作原理PLC采用一種不同于一般微型計算機的運行方式即循環(huán)掃描技術，循環(huán)掃描技術是指當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段-輸入采樣，用戶程序執(zhí)行和輸出刷新。完成上述三個階段稱作一個掃描周期，在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段，各個階段的功能如下：(l)輸入采樣階段：PLC將掃描的輸入端子的狀態(tài)存入映像寄存器，然后進入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，其內容保持不變，一直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。(2)程序執(zhí)行階段：PLC根據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)行結果存入元件映像寄存器中。(3)輸出刷新階段：當所有的程序指令執(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存到輸出鎖存器中，然后一次性的由輸出端子輸出，驅動外部負載。2.3風機參數(shù)的檢測本系統(tǒng)現(xiàn)場使用的傳感器較多，如壓力、溫度、振動及轉速等。為減少傳輸誤差，提高檢測精度，均選用帶變送器、性能可靠、壽命長、輸出標準電流信號420 mA的傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制RVVP電纜單獨傳送，以進一步提高整套系統(tǒng)的可靠性。其結構如圖3所示：圖3 傳感器與PLC擴展模塊的連接2.3.1風壓、風量參數(shù)的檢測1.風壓(這里主要測靜壓)一般都是采取鉆孔取壓法，測點選擇在風機的入口，將取得的壓力信號通過壓力傳感(變送)器轉換成電信號。壓力傳感器的選型需考慮礦井通風機最大風壓及測量精度的要求。本設計中選用CYBZI系列中量程為0-3KPa的壓力傳感器。CYBZI系列微差壓變送器采用進口高精度、高穩(wěn)定性微壓力敏芯片，經嚴格精密的溫度補償，線性補償，信號放大，V/I轉換，逆極性保護，壓力過載限流等信號處理，將很微小的差壓信號可靠的轉換成工業(yè)標準的4-20mA電流或 010V電壓信號輸出，可測小于100Pa的壓力其主要技術指標：測量范圍0-3Kpa零點漂移0.025%FS4h測量介質非腐蝕性氣體零點溫度漂移0.006%/CFS輸出信號標準量程的1.5倍非線性0.0378%FS輸出信號4-20mA遲滯0.0500%FS供電24VDC重復性0.0320%FS精度0.3%溫度范圍-20-+852風量風量參數(shù)是利用風機入口靜壓差及入口溫度計算得來的。計算公式：Q=kP2(273.15+T1)101325-P1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因風機參數(shù)的不同而異。風量監(jiān)測采用KGF-2型礦用智能風量傳感器。3. 負壓對于負壓參數(shù)的采集主要用于與設定的負壓值進行比較，調整風機的運行頻率,使風機運行在指定的工況點，實現(xiàn)通風機的閉環(huán)控制。2.3.2振動參數(shù)的檢測風機軸承的振動監(jiān)測與故障診斷功能及原理：通過速度傳感器測量軸承的振動峰值、均方根值或均值，將這些測量值與事先標定出的允許門檻值作比較，指示出軸承運行情況的正常與否。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烈度信號，經過振動變送器送到PLC中，以便實時監(jiān)控電動機的運行情況。通過風機振動位移和振動周期可以反映風機潛在的故障，避免風機停機等嚴重故障發(fā)生。常用的振動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。根據所需測量的參數(shù)要求，一般在選用時應考慮以下因素：若需測量振動位移值則應選用電渦流式傳感器；若需測量振動速度或烈度值則應選用速度式傳感器；若需測量振動加速度值則應選用加速度式傳感器。經過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測振儀器廠生產的MT3T型電磁式速度傳感器。其技術指標如下：測量范圍：151000Hz靈敏度：30mv/mm/s精度：線性誤差：0.5%測量方向：水平或垂直電源：12V DC，20mA容許加速度：沿工作方向：10g連續(xù)橫向：30g短時此外，在檢測機械振動參數(shù)時，還需要有變送器和檢測儀表將測量的振動參數(shù)轉換成4-20mA的直流電流信號或0-5V的電壓信號，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，以及增強報警和顯示等功能，又選擇了南京東大測振儀器廠生產的與MT-3系列磁電式振動速度傳感器配套使用的30ZXP-J210型振動速度監(jiān)控裝置。該監(jiān)控儀主要用于對轉速6006000轉/分旋轉機械的振動烈度進行長期監(jiān)測當振動值超限時，本儀器可外接聲光報警器以提示現(xiàn)場操作人員采取防范措施。其具體參數(shù)如下：(1)量程：010mm/s，020mm/s，050mm/s(均方根值)(2)頻率范圍：101000Hz(3)信號輸入：MT-3系列磁電式振動速度傳感器的信號(4)靈敏度：30mV/mm/s3%(5)儀表顯示顯示方式：高分辨率LCD顯示，精確度1(6)信號輸出：電流輸出420mA，輸出負載500(7)精確度：0.5%(8)報警輸出：警告、危險兩極報警；(9)繼電器節(jié)點容量：DC30V/1A，AC125V/0.3A(10)使用電源：AC220V/50HZ10%20W2.3.3電氣參數(shù)的檢測電氣參數(shù)指配套電機的負載和空載的電流、電壓、勵磁電流和電壓、功率、功率因數(shù)等。電量參數(shù)監(jiān)測采用EDA9033電量參數(shù)監(jiān)測模塊。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術，電壓輸入、電流輸入及輸出三方完全隔離。在該系統(tǒng)中，PLC通過CP341模塊與EDA9033通過MODBUS-RTU協(xié)議進行通信，所以電氣參數(shù)通過由安裝在各開關柜內的智能儀表單元與PLC以通訊的方式得到。2.3.4電機軸承和定子溫度檢測溫度傳感器選用Pt100鉑電阻傳感器。該傳感器利用金屬鉑在溫度變化時自身阻值也隨之改變的特性來測量溫度，能夠準確的測出軸承或定子的溫度并將它們傳給PLC 模數(shù)轉換電路，當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。這中溫度傳感器的特點：耐振動，可靠性高，同時具有精確的靈敏性，穩(wěn)定性好等。其性能指標如下：連續(xù)監(jiān)測風機工作時的軸承溫度和電機的軸承溫度，也是風機工況監(jiān)測的一項重要任務。溫度參數(shù)檢測時，主要由溫度檢測元件和變送器、電壓調理電路構成的檢測電路與PLC進行通信，將溫度參數(shù)上傳至工控機。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。熱敏電阻傳感器雖然價格低廉，但由于它們的阻值對溫度的變化是非線性的，故熱敏電阻通常所用的溫度范圍較狹窄。熱電偶式傳感器在中溫或高溫外露條件使用時的穩(wěn)定性不如熱電阻式傳感器。對于控制條件下校驗熱電偶性能，其可移動性或測試行較差。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備相連。當周圍溫度變化時，所使用的儀器導線(鍍銅)將會帶來測量誤差。因此，結合本系統(tǒng)的監(jiān)測要求，選擇熱電阻式熱電傳感器檢測風機溫度。在目前廣泛使用的熱電阻中，鉑電阻的化學穩(wěn)定性好，耐溫高，易提純，因而通常采用鉑電阻作為一般溫度計量儀器的溫標基準。按照不同測點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：測點型號測量范圍風機主軸承溫度STT-S-AI-T0150電機軸承溫度STT-S-AI-T3-50200電機三相繞組溫度STT-S-AI-T3-50200另外，在檢測溫度參數(shù)時，還需要有變送器將測量的溫度參數(shù)轉換成4-20mA的電流信號或0-5V的電壓信號，以便于傳送給PLC的模擬量模塊。本系統(tǒng)考慮到現(xiàn)場安裝的需要，選擇性能/價格比較高的日本林電的STWB系列溫度變送器模塊，其技術參數(shù)如下：輸入信號：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S供電電壓：24V負載電阻：0500輸出信號：DC420mA電壓誤差：0.005%V精度：0.1%，0.2%，0.5%工作環(huán)境：溫度：-2080；濕度：95%RH2.3.5開關量檢測監(jiān)控系統(tǒng)的輸入開關量主要包括一些開關、繼電器的動作信號，如：泵站電機運行、主電機正反向合閘反饋、制動器限位開關、風門的打開和關閉、風門過力矩、葉片執(zhí)行器自動以及測振器報警等。監(jiān)控系統(tǒng)的輸出開關量主要包括：泵站電機控制、風門打開和關閉控制、主電機正反向合閘、主電機正反向分閘、主電機正反向跳閘、制動器控制以及聲光報警等。在PLC控制系統(tǒng)中，輸入輸出開關量可通過開關量輸入輸出模塊與PLC連接，由于本系統(tǒng)涉及的開關量較多，在此不進行討論。2.4 變頻調速2.4.1變頻調速技術在礦井通風機上的應用概述近幾年來，隨著電力電子技術和計算機控制技術的迅速發(fā)展，變頻器的價格不斷下降，其可靠性和功能性得到了不斷提高和完善，使其在水泵、風機、電梯等設備上得到了廣泛的應用。通風機在煤礦上的使用占有很大的份量，是煤礦生產中最大的耗電設備，采用傳統(tǒng)的方法調節(jié)風量，風機運行效率低，流失大量電能，因此變頻器在礦井通風機上的應用很有必要。一般地來講，將變頻器應用在礦井通風機上，具有以下的功能和優(yōu)點：(l)可以實現(xiàn)風機的無級平滑調速，及時滿足礦井生產的風量需求，提高風機的運行效率，節(jié)省大量的電能損耗。(2)限制風機的啟動電流，減少啟動時的峰值功率損耗，消除電機起動和停止時，對機械和電氣元件的沖擊，延長其使用壽命。(3)PLC控制技術和變頻器結合使用，可以使通風系統(tǒng)具有完善的監(jiān)控功能和高可靠性，減少通風機的檢修和維護的工作量，節(jié)約設備的費用。(4)變頻器自身的保護功能齊全，有欠電壓保護、過電壓保護、過電流保護、短路保護、風機軸承過熱保護等，使風機安全運行的可靠性得到大大提高。2.4.2變頻調速的基本原理交流異步電機以其體積小、重量輕、價格低廉、運行性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在機械的電力傳動中應用最為普遍。但是交流電機不象直流電機那樣，可以很方便地進行調速，它的調速問題一直比較困難。經過幾十年的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了許多交流電機的調速方式，如異步電機的變極調速、定子電壓調速、轉子串電阻調速、串級調速、變頻調速等。目前，使用最廣泛，效果最好的還是變頻調速，變頻調速技術的迅速發(fā)展，使交流電機調速困難的問題得以解決。由電動機的拖動原理，可知交流異步電機的轉速表達式為: (2-1)由上式(2-1)、(2-2)和(2-3)可以看出，如果改變輸入到異步電機定子繞組的電源頻率f1，就可以改變異步電動機的同步轉速ns和轉子轉速n由電機學知識可知，交流異步電動機的轉速n總是小于同步轉速n