1 礦井 通風機 監(jiān)控系統(tǒng)設計方案 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(jù)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(wǎng)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。 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 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。 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 2 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 ，主要負責監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wǎng)絡，實現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)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(jù)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)。 本論文以礦井對旋軸流 風機為研究對象，以西門子 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 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(jù)壓力傳感器的模擬量輸入，經(jīng) 部運算，計算出系統(tǒng)滿 3 足安全生產所需的風量大小對應的變頻器輸入電壓值，經(jīng)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 擴展模塊接線圖。 5 用 程軟件編出 形圖。 6 用 場總線和工業(yè)以太網(wǎng)完成對 信網(wǎng)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 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(jù)歸檔、數(shù)據(jù)報表查詢及打印，以及瓦斯?jié)舛?、風量、風壓等監(jiān)控量的趨勢曲線、超限報警和數(shù)據(jù)報表功能。 4 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 (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(wǎng)和煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)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(jù)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。 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/ 風量（ 錯誤 !未找到引用源。/h） 全壓（ 效率（ %） 直徑（ 2900 540020000 配用電機基本參數(shù) 型號 轉速（ r/ 功率（ 額定電壓（ V） 額定電流（ A） 900 42 380 風機主要技術指標 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/錯誤 !未找到引用源。 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 5 壓，其單位為 1)靜壓 通風網(wǎng)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 錯誤 !未找到引用源。表示，在實際的通風網(wǎng)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： 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 式中： 錯誤 !未找到引用源。 氣體中某點的動壓， 錯誤 !未找到引用源。 動壓測量處的空氣密度， 誤 !未找到引用源。 ； 錯誤 !未找到引用源。 氣體的流速， m/s 3)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 錯誤 !未找到引用源。 表示： 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 3 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 : 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 通風機全壓有效功率， 錯誤 !未找到引用源。 通風機的全壓， 錯誤 !未找到引用源。 通風機的風量， m/錯誤 !未找到引用源。 。 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 : 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 式中 : 錯誤 !未找到引用源。 通風機靜壓有效功率， 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，計算公式如下： 式中 6 錯誤 !未找到引用源。 ,錯誤 !未找到引用源。 通風機的全壓效率和靜壓效率； N通風機的軸功率， 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/ 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。 H 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。 N 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(jīng)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。 n 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， Q H 曲線和 Q N 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 Q H 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 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。 Q n 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 Q H 曲線和 Q n 曲線也就決定了軸流式風機的正常工作范圍，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。 7 圖 1 軸流式風機的性能曲線 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(wǎng)性能曲線和改變通風機性能曲線。 改變管網(wǎng)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(jīng)濟，人為的增加網(wǎng)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(jīng)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)。 述 國際電工委員會 ( 定義是：可編程邏輯控制器是一種數(shù)字運算操作的電 8 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。 基本構成 圖 2 一般構成 (l)中央處理單元 (中央處理單元 (般由控制器，運算器和寄存器組成，它是 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(jù)；診斷 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 放程序和數(shù)據(jù)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 產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在 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(jù)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(jù)存儲區(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 I/O 設備相連接的部件，它的作用是將輸入信號轉換位 夠接收和處理的信號，將 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 電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源轉換成 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 以通過外設接口與監(jiān)視器、打印機、 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 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 入運行后，其工作過程一般分為三個階段 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， 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： 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 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： 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。 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 4 20 傳感器，直接采集現(xiàn)場信號，并配以二線制 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 展模塊的連接 壓、風量參數(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。本設計中選用列中量程為 0壓力傳感器。 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(jīng)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 4010V 電壓信號輸出，可測小于 100壓力 其主要技術指標： 測量范圍 0點漂移 量介質 非腐蝕性氣體 零點溫度漂移 出信號 標準量程的 非線性 S 10 輸出信號 4滯 S 供電 24復性 S 精度 溫度范圍 5 2 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： 式中 錯誤 !未找到引用源。 為 量到靜壓， 錯誤 !未找到引用源。 為入口壓力壓 )的 絕對值 (正值 )， 錯誤 !未找到引用源。 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 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。 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(jīng)過振動變送器送到 ，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(jù)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(jīng)過比較之后，本系統(tǒng)選擇南京東大測振儀器廠生產的 電磁式速度傳感器。其技術指標如下： 測量范圍： 15 1000敏度： 30mv/mm/s 精度：線性誤差： 測量方向：水平或垂直 電源： 12V 錯誤 !未找到引用源。 )，交點 A、 B、 C 為礦井通風機的工況點。 圖 4 風機及管 網(wǎng)的 H Q 特性曲線圖 圖 4 中曲線 1 為風機開始調節(jié)前的風壓一風量 (H 一 Q)特性曲線，曲線 a 為管網(wǎng)風阻特性曲線 (管網(wǎng)阻力最小 )。假設風機設計工作在 A 點效率最高，輸出風量 錯誤 !未找到引用源。為 100%，對應的軸功率 錯誤 !未找到引用源。 從與風量 錯誤 !未找到引用源。 和風壓 錯誤 !未找到引用源。 的乘積面積 A 錯誤 !未找到引用源。 成正比。 如果生產要求風量從 錯誤 !未找到引用源。 減少到 錯誤 !未找到引用源。 時，若采用關小風機管路閥門的方法調節(jié)，相當于增加管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性曲線變化到 b，系統(tǒng)工況點也由 A 點變到 B 點。從圖中可以看出，風量雖然減小了，風壓反而增加了，代表軸功率的面積 B 錯誤 !未找到引用源。 比調節(jié)前減少不多。 若采用變頻調速控制局部通風機的運行，隨著風機轉速的下降，風壓風量特性變?yōu)榍€ 2，系統(tǒng)工況也由 A 點變到 表軸功率的面積 C 錯誤 !未找到引用源。 比采用前一種方法調節(jié)顯著減少，兩者之差即是節(jié)省的氣體功率。 當通風機穩(wěn)定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系： 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源 。 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 15 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 式中： 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機調節(jié)前后的轉速， r/ 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機轉速調節(jié)前后的風壓， 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機轉速調節(jié)前后的功率， W。 由以上的比例關系，可以看出風機的風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，功率與轉速的三次方成正比。如果通風機的轉速降低為原來 的 50%，則風量也變?yōu)樵瓉淼?0%，功率降低為原來的 這說明通過改變通風機的轉速的方式，可以改變通風機的功率輸入，可以節(jié)省大量的電能。根據(jù)上述變頻調速的原理，礦井通風機的轉速。的改變，可以通過改變通風機輸入電源的頻率 一過程可以通過變頻器來完成。 頻器的結構 變頻器按結構來分，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)整流器先轉換成直流電，然后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)后，再把直 流電轉換成頻率、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，其基本結構如下圖所示 圖 5 變頻器基本結構圖 (1)整流器 整流器即是網(wǎng)側變流器，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 逆變器即是負載側的變流器，它的主要作用在控制電路的控制下將直流電轉變成頻 16 率、電壓調節(jié)后的交流電，輸出給外部設備。六個半導體主少干關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)又稱為中間儲能環(huán)節(jié)，這是因為逆變器的負載多為感性負載，其功率因數(shù)小于 1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動機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行緩沖 (4)控制電路 控制電路是變頻器的核心，它通常由運算電路、檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路和保護電路等組成，其作用主要是完成對逆變器的開關控制和頻率控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等 制變頻器的 方式 在許多工程應用中，為了提高控制系統(tǒng)的自動化水平，需要把 變頻器結合起來使用 ，對異步電機進行變頻調速控制?？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)的設定，設置控制端子不同的頻率輸出。通過對變頻器控制端子邏輯輸入口的邏輯組合，可以實現(xiàn)電機的啟?？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，進而控制異步電機的轉 速。由于變頻器控制端子的輸出頻率是預先設定的，它的輸出頻率也只是一些固定的數(shù)值，不能實現(xiàn)異步電機的無級平滑調速。因此，這種控制方式只適合不需要電機連續(xù)調速就能滿足生產要求的場合。 (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 一個通訊接口，如果 通訊接口為 口，加一個轉換器轉換成 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)控多臺變頻器，還可以通過通訊修改變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)多臺變頻器的聯(lián)動控制和同步控制。由于變頻器的種類很多，不同廠家生產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)在生產的 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/出 010V 的電壓或 420電流，把輸出的信輸入到變頻 器相應的模擬量輸入端子，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，且是一對一的控制場合，但這種控制方式使用起來比較簡單，對 要求也不是很高。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機兩臺電機的方案，是一對一控制，為說明問題，本系統(tǒng)采用 17 3通信網(wǎng)絡的實現(xiàn) 系統(tǒng)共分三層：設備層，控制層，監(jiān)控層 設備層即現(xiàn)場測量層主要實現(xiàn)風機變量參數(shù)的 測量和風機的控制，由各種傳感器，電量監(jiān)測設備，變頻器等組成，完成對設備運行的自動控制和監(jiān)控設備本身的運行工況參數(shù)的采集。 中央控制層由帶有以太網(wǎng)接口的 成， 為總站，就地站以及遠程輸入站作為從站，采用 場總線實現(xiàn)現(xiàn)場設備的互連，節(jié)省了大量的 A/D 等傳輸和轉換模塊。通過以太網(wǎng)交換機與上層監(jiān)控管理層的工控機聯(lián)網(wǎng)，向工控機傳送風機系統(tǒng)的運行狀態(tài) (運行、停止、正轉、反轉等 )，同時接收工控機的控制命令，采集風機系統(tǒng)的工況參數(shù) (如風壓、風量、風機軸承溫度、電機定子繞組溫度、電壓、電流、 功率因數(shù)、功率和開關狀態(tài)等 )，其采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換后遠傳給上層監(jiān)控管理層的工控機。 遠程監(jiān)控管理層直接接入礦調度室，由上位工控機、打印機、不間斷電源等設備組成，提供集中監(jiān)控管理功能，可以實現(xiàn)監(jiān)控風機系統(tǒng)運行工況、故障報警與分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、報表生成打印、歷史數(shù)據(jù)記錄管理等操作。 18 圖 6 網(wǎng)絡結構 場總線控制系統(tǒng)和以太網(wǎng)技術 隨著計算機、通訊、網(wǎng)絡等技術的進步，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的 制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線有著分散控制更徹底、開 放性好、可靠性高、總體價格也較便宜等優(yōu)點，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)，它的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始。 對于礦井通風機監(jiān)控系統(tǒng)而言，為保證通風機的安全可靠運行，其功能必須涵蓋通風機電動機啟?？刂?、風門的開合、風量調節(jié)、各項運行參數(shù)監(jiān)測以及上下位機通信等多個方面。大型煤礦生產企業(yè)所應用的生產設備往往多而分散，對于傳統(tǒng)的基于 產品的監(jiān)控系統(tǒng)來說，如不采用現(xiàn)場總線技術將各生產設備的監(jiān)控系統(tǒng)有機地連為一體，則難以及時有效地對各設備的狀態(tài)進行協(xié)調管理，在很大程度上不 利于生產效率和安全性的提升。與此同時，以太網(wǎng)作為一項比較成熟的技術正向自動化領域逐步滲透，從企業(yè)決策層、生產管理調度層向現(xiàn)場控制層延伸。以太網(wǎng)傳輸速度的提高、高速以太網(wǎng)的應用以及工業(yè)級以太網(wǎng)部件推出，使影響以太網(wǎng)進入工控領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)自動化網(wǎng)絡承擔的控制任務，基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)將會更多地出現(xiàn)在工業(yè)應用中，成為一種簡單、廉價、實用的企業(yè)控制網(wǎng)絡方案。工業(yè)以太網(wǎng)是基于以太網(wǎng)技術和 P 技術開發(fā)出來的一種工業(yè)通信網(wǎng)絡。工業(yè)以太網(wǎng)廣泛應用于工廠 的控制級通信，以實現(xiàn) 間， 之間的通信。 場總線與以太網(wǎng)的互連 為了解決現(xiàn)場總線面臨著標準繁多、難以與企業(yè)管理網(wǎng)絡集成等諸多問題，于是就出現(xiàn)了把自動控制與計算機管理系統(tǒng)結合起來，集管理和控制為一體的系統(tǒng)。一些復雜的控制系統(tǒng)常采用兩級網(wǎng)絡拓撲結構。底層用現(xiàn)場總線以便控制裝置盡可能靠近現(xiàn)場設備，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控，從而實現(xiàn)對生產過程的集中管理和分散控制，這種將兩層網(wǎng)絡應用到自動化系統(tǒng)的方法，實現(xiàn)信息的完全共享，極大的提高了對復雜生產過程的檢測、監(jiān)督和控制功能，提高了系統(tǒng) 的利用率。工業(yè)控制領域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場設備之間的通信網(wǎng)絡平臺，可以避免，現(xiàn)場總線技術游離于計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展主流之外，從而使現(xiàn)場總線技術和其它網(wǎng)絡技術互相促進、共同發(fā)展，并保證技術上的可持續(xù)發(fā)展在技術升級方面無需單獨的研究投入。其互連模型如圖 7 所示： 19 圖 7 現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)互聯(lián) 絡的具體實現(xiàn)方法 本系統(tǒng)現(xiàn)場總線采用 線。 般用于車間設備級的高速數(shù)據(jù)通信，主站（ ）通過標準的 用電纜與分散的現(xiàn)場設備（遠程 I/O， 驅動器，閥門，智能傳感器等）進行通信，對整個 絡進行管理和控制。用雙絞線或光纜作為傳輸介質，傳輸速率從 s 到 12s。 以通過 信模塊連接到 絡中。 同時本系統(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 以用于遠程組態(tài)，編程和診斷。 20 4系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)的硬件連接見附錄 1。 主電路中 對旋式軸流風機的兩臺電機，交流接觸器 別控制 工頻運行；交流接觸器 別控制 變頻運行；主電路電源的隔離開關； 主電路的熔斷器； 電機 熱繼電器。 21 圖 8 主電路圖 在風機控制系統(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、實現(xiàn)較復雜的邏輯控制以及進行模擬量控制等功能?？刂葡到y(tǒng)采 用 7列 時外部擴展 塊。本控制系統(tǒng)接線圖如下圖 9 所示。 該 制系統(tǒng)可以實現(xiàn)風機手動工頻、自動變頻和手動變頻運行的切換，其中手動變頻是指使用變頻器控制面板手動控制風機的變頻運行。在風機自動變頻運行時，是利用采集到的風壓信號進行通風機的變頻調速控制。其中按鈕 制風機的自動變頻運行；按鈕 制風機的手動變頻運行；按鈕 制風機的工頻運行；按鈕 制風機的停止；按鈕 報警燈鈴的調試按鈕； 消鈴按鈕； 別 為 別為 頻運行的指示燈； 變頻器故障報警指示燈； 1#電機振動異常指示燈； 2#電機振動異常指示燈； 井巷壓力下限指示燈； 1#電機溫度上限指示燈； 2#電機溫度上限指示燈； 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 自動變頻按鈕 動變頻按鈕 頻運行切換按鈕 止運行按鈕 頻器 1 故障輸入 1頻器 2 故障輸入 223 試燈鈴按鈕 鈴按鈕 動變送器輸入 壓傳感器輸入 力傳感器輸入 #電機定子溫度輸入 #電機軸承溫度輸入 #電機定子溫度輸入 #電機軸承溫度輸入 稱 代碼 地址編碼 輸出信號 1#風機變頻運行接觸器 指示燈 #風機工頻運行接觸器 指示燈 #風機變頻運行接觸器 指示燈 #風機工頻運行接觸器 指示燈 頻器 1 啟動 1頻器 1 故障復位 1頻器 2 啟動 2頻器 2 故障故障復位 2頻器故障信號燈 #電機振動異常指示燈 #電機振動異常指示燈 巷壓力下限指示燈 #電機溫度上限指示燈 #電機溫度上限指示燈 警電鈴 壓模擬量輸出 1 I/O 地址分配 24 件的選型 選型 在進行 號的選擇時，要考慮控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，選擇低檔機、中檔機還是高檔機。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，還要考慮 存儲容量，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 個數(shù)字量 ；有 2 個 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。更大的存儲空間，更強的擴展能力及更快的運行速度和強大的內部集成特殊功能，使其可以滿足復雜的中小型控制系統(tǒng)的要求。 在本設計中共有 8 輸入 /11 輸出， 7 點模擬量輸入和 1 點模擬量輸出。綜合上述條件，本系統(tǒng)選用 司 列 外選用 塊和 塊。 塊有 4 點模擬量輸入， 1 點模擬量輸出。 4 點模擬量輸入。同時由于本系統(tǒng)要求 100 230V 源， 入，繼電器輸出 ， 選擇 16號 。 統(tǒng)配置具體如下： 功能 型號 數(shù)量 主控單元 C/ 模擬量擴展 44 1 通訊模塊擴展 以太網(wǎng) 1 表 2 元選型 頻器的選型 容量選擇 風機在某一轉速下運行時 ,其阻轉矩一般不會發(fā)生變化 ,只要轉速不超過額定值 ,電動機也不會過載 ,一般變頻器在出廠標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動的電動機容量相同即可。若考慮更大的余量 ,也可以選擇比電動機容量大一個級別的變頻器 ,但價格要高出不少 風機采用變頻調速控制后 ,操作人員可以通過調節(jié)安裝在工作臺上的按鈕或電位器調節(jié)風機的轉速 ,操作十分簡易方便。變頻器的運行控制方式選擇，可依據(jù)風機在低速運行時，阻轉矩很小，不存在低頻時帶不動負載的問題， 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。 風機、泵類負載在一定的速度范圍內運轉時，空氣或液體所產生的阻力大致與轉速 矩按轉速平方的變化而變化，這類負載稱為平方轉矩負載。根據(jù)變頻器的選擇原則，該系統(tǒng)中選用的是兩臺型號為 機和泵類變轉矩負載專用變 25 頻器。使用 V/F 控制方式的變頻器來控制風機的轉速。 全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家，功率范圍 250按照專用要求設計，并 使用內部功能互聯(lián)（ 術，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動 /自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等。 本系統(tǒng)中實驗風機的功率為 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輸出接 口， 輸出端口 變頻器的數(shù)字輸入端 于變頻器啟動和停止控制。壓力傳感器采集的信號經(jīng) 理后，由 塊的 3 口和 5 口輸出，連接 頻器的 而控制兩臺電機的運行。 頻器輸入值計算 上面提到：當通風機穩(wěn)定運行時，風機的風量、風壓、功率與轉速有以下比例關系： 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 式中： 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機調節(jié)前后的轉速， r/ 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機轉速調節(jié)前后的風壓， 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 通風機轉速調節(jié)前后的功率， W。 風機工頻運行時，在穩(wěn)定工作區(qū)的出氣靜壓為 機管道的出氣風量為 誤 !未找到引用源。 /s 假設某煤礦一井下掘進工作面需要 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量應不少于 錯誤 !未找到引用源。 /s，如設定為 5 錯誤 !未找到引用源。 /s，可計算出要求風機管道的出氣風量為 Q=誤 !未找 到引用源。 /s。令 錯誤 !未找到引用源。 =2900r/錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，錯誤 !未找到引用源。 =50錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，根據(jù)風機的比例定律，可求出掘進巷道開始掘進時，風機變頻調速的起始速度 錯誤 !未找到引用源。=(錯誤 !未找到引用源。 /錯誤 !未找到引用源。 )錯誤 !未找到引用源。 =1744r/根據(jù)風機轉速與輸入電源頻率的線性關系，可估算出 錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s 時，變頻器輸出給風機的電源電壓頻率 錯誤 !未找到引用源。 =(錯誤 !未找到引用源。/錯誤 !未找到引用源。 )錯誤 !未找到引用源。 =30 當巷道中的管網(wǎng)阻力增加時，風機的風量隨之減小，為了滿足所需風量的要求，要調節(jié)風機的轉速控制風機的風量。為了實現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)采用根據(jù)風機出氣風壓的變化進行風量的控制。首先，用壓力傳感器采集風機的出氣風壓。然后，根據(jù)風機的比例定律，把風壓轉換到風機額定轉速卞的壓力。接著，根據(jù)風機額定轉速下的壓力一流量特 性曲線方程，求出此風壓下對應的風量大小。最后，再根據(jù)風機的比例定律，求出風量達到設定的 誤 !未找到引用源。 /s 時，風機需要調整的轉速大小。由于變頻器 0模擬輸入電壓對應 0輸出電壓頻率，而 050電壓頻率又對應風機 0轉速。根據(jù)此線性關系，可以求出風機達到需要調整的轉速時，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 風機及管網(wǎng)風量 風機在剛開始啟動時，風機的管網(wǎng)阻力最小為 錯誤 !未找到引用源。 ，輸入電 源電壓頻率為 30頻器設定 )，其工作的工況點為 0。由以上表 4 中的實驗數(shù)據(jù)，可知此工況點的風量 錯誤 !未找到引用源。 =誤 !未找到引用源。 /s，風壓 錯誤 !未找到引用源。=機轉速 錯誤 !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系，可知 錯誤 !未找到引用源。 =30，對應變頻器的模擬輸入電壓 錯誤 ! 27 未找到引用源。 =30/50 錯誤 !未找到引用源。 10=風機的管網(wǎng)阻力由 錯 誤 !未找到引用源。 增加 到 錯誤 !未找到引用源。 ，時，工況點由 0 到 1，風量由 錯誤 !未找到引用源。 減小到 錯誤 !未找到引用源。 。此時，壓力傳感器采集的壓力為 錯誤 !未找到引用源。 ，可由下面風機的比例關系式求出工況點 3 的壓力值。 (4式中： 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤