矿井通风机监控系统设计方案

1 矿井 通风机 监控系统设计方案 通风机是煤矿的四大固定设备之一，它担负着向井下输送新鲜空气、排出粉尘和污浊气流的重任，具有 “矿井肺腑 ”之称。由于井下工作环境恶劣，主通风机工作电压较高，电流较大，出现故障的概率也较大。一旦发生故障，将会对整个矿区的生产和安全造成重大影响。因此，有必要建立一套功能完善的自动监控系统，实现矿井主通风机性能及状态的在线实时监测，以便在生产过程中及时掌握主通风机的运行参数和状态，这也是主通风机控制系统的发展方向。据统计，煤矿事故 70%以上是由于通风设备故障、通风 管理不善等所造成。随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，井下通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的要求。利用设 备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要 。高压变频技术、智能控制技术、传感器技术、现场总线技术以及工业以太网技术的迅速发展，为满足煤矿生产的上述要求提供了可能。本监控系统就是在此背景下提出的。 机监控系统国内外研究状况 国外很早就对风机进行了研究。至 90 年代，一般的风机均配有在线监控系统，集保护、检测、控制于一体，不但能实现风量的自动调节，主要能进 行故障诊断，预测使用寿命，预报维修极限，成功地对风机进行了检测，有效的保证了矿井通风系统的安全运行。美国煤矿使用的主风机以轴流式为主，近年来开始采用在运行中可以改变叶片角度的液压式动叶可调风机，节能效果好。德国以 司为代表，采用液压式动叶调节的轴流通风机，其运行效率可保持在 83% 88%以内。国内在这两方面起步比较晚。风量调节方法都比较落后，需要在停机的情况下进行手动调节或者是隔一段时间才能调节一次。其一这种人工操作方法只能做到阶段性调节而不能做到及时连续自动调节，而且实时性差，风量控制不准确，自动化 程度不高；另外，我国煤矿主通风机一般都在远离煤矿管理部门的井田边缘，通风设备的管理由于风量参数不能实现在线监测而成为煤矿自动化管理的薄弱环节。目前大部分厂家只对设备进行简单的点测，或是对风机进行简易的诊断。近几年来，陆续有几家大中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。近几年来，陆续有几家大中型企业开始安装了专用检测诊断设备对风机进行了长期检测。 05 年南京因泰莱电器股份有限公司为银川力城电子煤矿设计了综合现代化通信、计算机和自动控制与检测技术的全分布式计算机监控系统，它具有显示、打印、报警、状 态识别、趋势分析、现场动平衡等功能，在实际应用中取得了很好的效果。但与国外还是存在着一定的距离。 随着科学技术的发展 ,科 技人员的不断努力，矿井主通风机在线监测监控取得了一定的成绩 ,但也明显存在一些不足矿井主通风机在线监测监控主要还处在监测水平，其控制功能 2 很弱，对主通风机的控制和故障诊断基本上还处 在研究阶段，矿井主通风机在线监测监控的可靠性有待进一步提高，矿井主通风机在线监测监控是一个较独立的系统 ,未与整个矿井通风系统、整个煤矿管理系统取得协调的联系。 针对以上不足，为了 进一步提高煤矿自动化管理水平 ,提高生产的安全程度，降低工人劳动强度，矿并主通风机在线监测监控应在如下几个方面发展： (1)煤矿监测监控系统结构向集散化结构发展 新推出的监测监控系统基本上都采用集散系统结构，一般由现场测控分站和控制中心主站组成。分站以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，一般由中小型可编程控制器组成。主站一般采用 ，主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印等。 (2)煤矿安全监测监控系统开放化 新推出的集散监测监控系统均采用开放系统互连的标准模型、通信协议或规程，支持多种互连标准。任何集散测控系统，只要遵循这些规程，就能够与其它系统或计算机系统相连，方便地组成多节点的计算机局域网络，实现系统间的通信和数据共享。 (3)煤矿安全监测监控系统智能化 主要是指传感器的智能化，如不断推出的具有自动校正、灵敏度自动补偿、非线性自动补偿等功能的智能传感器。 (4)煤矿安全监测监控系统应用软件发展趋势 包括操作系统的实时多任务化，控制软件的组态化、智能化和图形化，软件系统的开放化、标准化。 (5)煤矿安全监测监控系统向综合化方向发展 全矿井综合监控系统是一种可用于环境安全、轨道运输、 皮带运输、提升运输、供电系统、排水系统、矿山压力、煤与瓦斯突出、自燃发火、大型机电设备的运行状况等多方面综合监控的系统，既可用于某一单方面的监控，又可实现全面综合监控。 (6)发展专家诊断、专家决策系统软件 我国监测监控系统软件目前停留在对被监测量的实时采集、存储、超限报警及断电、以曲线、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理，在此基础上，国内正在开发专家系统和矿井安全预警系统。在矿难发生前就能对各种安全隐患进行预测，使安全隐患消灭在萌芽状态。 本论文以矿井对旋轴流 风机为研究对象，以西门子 编程逻辑控制器作为监控核心，运用温度，压力，振动等传感器和电量采集单元对风机运行状态以及各种电量参数进行检测。同时，利用 上位机之间的通信实现通风机运行的在线监控。本论文还讨论了利用变频器控制通风机的变频运行，实现风机的高效节能运行。具体地说，本论文的主要研究内容如下： 1 实现信号采集与实时监测，包括风机的运行状态、故障状态、负压、流量、轴承振动、轴承温度、定子温度、电压、电流、功率、效率等。 2 控制系统能实现风机手动和自动变频运行的切换，使风机处于工频或变频 运行状态。在变频运行时，该系统能根据压力传感器的模拟量输入，经 部运算，计算出系统满 3 足安全生产所需的风量大小对应的变频器输入电压值，经扩展模块模拟量输出控制变频器自动调整风机的转速。 3 本系统能实现多种报警功能，如风机定子，轴承温度超限，电动机振动异常报警，以及变频器出现故障及时报警，及时处理的功能。 4 用工程制图软件绘制系统主电路图和 扩展模块接线图。 5 用 程软件编出 形图。 6 用 场总线和工业以太网完成对 信网络的组建。 7 模拟风机运行情况，用组态王软件绘制煤矿主通风机在线监测系统主界面和 制变频器调速系统主界面。并生成性能参数实时曲线和历史趋势曲线，监测数据归档、数据报表查询及打印，以及瓦斯浓度、风量、风压等监控量的趋势曲线、超限报警和数据报表功能。 4 2 系统构成及各部分功能 本论文设计的矿井主扇风机的监控包括风机运行状态的监测和风机风量的调节两部分。 本系统中风机运行状态的监测以工控领域的可编程控制器 (组态软件为核心，以标准控制柜作为信号采 集和控制输出装置 ,辅以传感器、中间继电器和其它辅助设备构建整个监控系统。通过的煤矿主通风机的计算机监控管理系统 ,实现了通风机的计算机实时监控以及通风机房与工业以太网和煤矿安全监控网络系统的信息共享。 风机风量的调节中引入变频器对风机风速的调节，据所需风量和风压大小通过变频器来调节风机的转速在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求。 井主扇风机概述 矿井通风机按结构来分，有离心通风机和轴流通风机，目前矿上使用最多的是轴流通风机。轴流通风机是气 体沿轴向进入旋转叶片通道，由叶片与气体的相互作用，使气体被压缩并沿轴向排出的通风机。在两级的轴流通风机中，有一种性能比较好的轴流通风机 对旋式轴流通风机，它的一个叶轮装在另一个叶轮的后面，同时两个叶轮的旋转方向彼此相反。它具有结构尺寸短，效率高，反风性能好的特点。目前矿井中主扇风机大部分采用对旋式轴流风机。 本论文中采用某实验风机，其技术参数如下： 风机基本性能参数 转速（ r/ 风量（ 错误 !未找到引用源。/h） 全压（ 效率（ %） 直径（ 2900 540020000 配用电机基本参数 型号 转速（ r/ 功率（ 额定电压（ V） 额定电流（ A） 900 42 380 风机主要技术指标 单位时间内通风机吸入的气体的体积称为通风机的风量，以 Q 表示，单位为 m/错误 !未找到引用源。 在通风中所称的风压是指单位体积的空气所具有的能量，按其类型可分为静压、动压和全 5 压，其单位为 1)静压 通风网络中单位体积流体所具有的压力能量，即为气体的静压力，以 错误 !未找到引用源。表示，在实际的通风网路中，通风截面一般不是很大，可以忽略同一截面上任意两地之间气体的位能之差，因此在缓变流条件下，同一过流截面上个点的静压值可以认为相等。 2)动压 指单位体积的流体所具有的动能，携带该能量的气体微团被滞止后表现的压力，故称为动压，其大小用下式计算： 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 式中： 错误 !未找到引用源。 气体中某点的动压， 错误 !未找到引用源。 动压测量处的空气密度， 误 !未找到引用源。 ； 错误 !未找到引用源。 气体的流速， m/s 3)全压 气流中某一点的滞止压力，亦是该点静压和动压的代数和，以 错误 !未找到引用源。 表示： 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 3 功率 通风机的功率分为轴功率和有效功率。轴功率是指原动机传递给通风机轴上的功率，有功功率是指风机在单位时间内对气体做的有用功，通风机的全压有效功率用下式计算 : 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 通风机全压有效功率， 错误 !未找到引用源。 通风机的全压， 错误 !未找到引用源。 通风机的风量， m/错误 !未找到引用源。 。 若通风机的风压用静压表示，则通风机静压有效功率可用下式计算 : 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 式中 : 错误 !未找到引用源。 通风机静压有效功率， 4 效率 效率是全压有效功率或静压有效功率与轴功率的比值，前者称为全压效率，后者称为静压效率，计算公式如下： 式中 6 错误 !未找到引用源。 ,错误 !未找到引用源。 通风机的全压效率和静压效率； N通风机的轴功率， 5 转速 转速是指通 风机在单位时间内的实际转数，以 n 表示，单位为 r/ 机的特性曲线 轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流的径向流动，但当流量大于设计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。轴流式风机的性能曲线如图 1 所示。 H 曲线大都属于陡降型曲线 流量偏小时，气流将部分地发生二次回流现象，回流的液体被叶轮二次加压，是流量较小的情况下，压头上升的缘故。 N 曲线在流量为零时最大 当流量增大时， H 下降很快，轴功率也有所下降，这样 往往使轴流式风机在零流量下启动时的轴功率为最大。因此与离心式风机相比，轴流式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所以轴流式风机所配用电机要有足够的裕量。 n 曲线在最高效率点附近迅速下降 流量不在设计工况下的气流情况迅速变坏，以至效率下降很快，所以轴流式风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调节阀门来调节流量。因此， Q H 曲线和 Q N 曲线都是在流量从小到大增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在 Q H 曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近 似用三次方程来拟合，但在整个趋势中它和 线的拟合方法一样，选用有两个拐点的三次方程，能很好的反映风机工作情况的性能。 Q n 曲线在整个流量变化过程中是先增大后减少，为此可用二次方程来拟合它的形状。一般工作的工况点选在效率大于 60%的曲线段。 至此，由 Q H 曲线和 Q n 曲线也就决定了轴流式风机的正常工作范围，即在 Q 门曲线效率大于 60%的公共部分。同样是由于在风量较小的情况下，风机二次回流现象的影响，使得到某一流量时，在风机转速的增大和减小的回复，这也就是风机喘振点，在风机性能测试过程 中，一般由此点开始或到此点结束，所以大多数的风机性能曲线的流量不是从零开始。 7 图 1 轴流式风机的性能曲线 量的调节方法 通风机的调节是为了改变通风机的流量，以满足实际工作的需要，故通风机的调节又称流量调节。反映在通风机性能曲线图上就是改变风机工况点，流量调节主要有两个目的：第一，满足矿井用风量的要求，第二，提高风机的运行效率。主要的调节方法或改变风机运行工况有两大类：改变管网性能曲线和改变通风机性能曲线。 改变管网曲线主要是在通风机的管路上设置节流阀或风门来调节流量，风门调节是利用风门来增大 风道阻力，以较少风量，这种调节最不经济，人为的增加网络的阻力也就是增大了每立方米空气所消耗的电能。当然这比不进行调节而供给过多的风量还是有利的（对功率曲线在调节范围内随风量增加而上升的风机而言）。改变风机性能曲线是通过改变风机自身运行曲线，主要有定速和变速两类。定速调节包括入口导叶调节及动叶调节。变速调节是管路特性曲线不变时，用变转速来改变风机的性能曲线，从而改变风机的工况点。变速调节大大减少附加的节流损失，在很大变工况范围内保持较高的效率，与传统的节流调节相比，不产生其他调节方式附加损失，降低了功率消耗， 节约了电能，具有良好的经济效益。由于高压变频器发展，煤矿主通风机变频调节系统由于在节能和提高风机效率方面具有无与伦比的优点，还能实现风机的软启动和保护等要求，已开始应用在风机监控系统当中。本文所研究的风机监控系统当中，风机风量调节选用变频调节。 述 国际电工委员会 ( 定义是：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电 8 子系统，是用来取代电机控制的顺序继电器电路的一种器件，专为在工业环境下应用而设计。它采用一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻 辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出来控制各种类型的机械或生产过程。 基本构成 图 2 一般构成 (l)中央处理单元 (中央处理单元 (般由控制器，运算器和寄存器组成，它是 核心部分。它的主要任务有 :控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据；诊断 部电路的工作故障和编程中的错误 ;扫描 I/O 接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。 (2)存储器 存储器是 放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。系统存储器用来存放 产厂家编写的系统程序，并固化在 储器中，用户不可访问和修改。用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的 态和各种数值数据等。 (3)I/O 接口 输入，输出接口电路是 现场 I/O 设备相连接的部件，它的作用是将输入信号转换位 够接收和处理的信号，将 来的弱电信号转换为外部设备所需 的强电信号。 (4)电源单元 电源单元是 电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源转换成 储器等电路工作所需要的直流电，及向外部器件提供 24V 直流电源。 (5)外设接口与扩展接口 以通过外设接口与监视器、打印机、 计算机相连。扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。 工作原理 用一种不同于一般微型计算机的运行方式即循环扫描技术，循环扫描技术是指当 入运行后，其工作过程一般分为三个阶段 户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间， 一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，各个阶段的功能如下： (l)输入采样阶段： 扫描的输入端子的状态存入映像寄存器，然后进入程序执行 9 阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。 (2)程序执行阶段： 据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。 (3)输出刷新阶段：当 所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，驱动外部负载。 本系统现场使用的传感器较多，如压力、温度、振动及转速等。为减少传输误差，提高检测精度，均选用带变送器、性能可靠、寿命长、输出标准电流信号 4 20 传感器，直接采集现场信号，并配以二线制 缆单独传送，以进一步提高整套系统的可靠性。其结构如图 3 所示： 图 3 传感器与 展模块的连接 压、风量参数的检测 这里 主要测静压 ) 一般都是采取钻孔取压法，测点选择在风机的入口，将取得的压力信号通过压力传感(变送 )器转换成电信号。 压力传感器的选型需考虑矿井通风机最大风压及测量精度的要求。本设计中选用列中量程为 0压力传感器。 列微差压变送器采用进口高精度、高稳定性微压力敏芯片，经严格精密的温度补偿，线性补偿，信号放大， V/I 转换，逆极性保护，压力过载限流等信号处理，将很微小的差压信号可靠的转换成工业标准的 4010V 电压信号输出，可测小于 100压力 其主要技术指标： 测量范围 0点漂移 量介质 非腐蚀性气体 零点温度漂移 出信号 标准量程的 非线性 S 10 输出信号 4滞 S 供电 24复性 S 精度 温度范围 5 2 风量 风量参数是利用风机入口静压差及入口温度计算得来的。计算公式： 式中 错误 !未找到引用源。 为 量到静压， 错误 !未找到引用源。 为入口压力压 )的 绝对值 (正值 )， 错误 !未找到引用源。 为入口温度，系数 k 因风机参数的不同而异。风量监测采用 矿用智能风量传感器。 3. 负压 对于负压参数的采集主要用于与设定的负压值进行比较，调整风机的运行频率 ,使风机运行在指定的工况点，实现通风机的闭环控制。 动参数的检测 风机轴承的振动监测与故障诊断功能及原理：通过速度传感器测量轴承的振动峰值、均方根值或均值，将这些测量值与事先标定出的允许门槛值作比较，指示出轴承运行情况的正常与否。具体测试方法为：通过安装在轴承部位的速度传感器拾取振动烈度信号 ，经过振动变送器送到 ，以便实时监控电动机的运行情况。通过风机振动位移和振动周期可以反映风机潜在的故障，避免风机停机等严重故障发生。 常用的振动测量传感器有电涡流式传感器、速度式传感器、加速度式传感器。根据所需测量的参数要求，一般在选用时应考虑以下因素： 若需测量振动位移值则应选用电涡流式传感器； 若需测量振动速度或烈度值则应选用速度式传感器； 若需测量振动加速度值则应选用加速度式传感器。 经过比较之后，本系统选择南京东大测振仪器厂生产的 电磁式速度传感器。其技术指标如下： 测量范围： 15 1000敏度： 30mv/mm/s 精度：线性误差： 测量方向：水平或垂直 电源： 12V 错误 !未找到引用源。 )，交点 A、 B、 C 为矿井通风机的工况点。 图 4 风机及管 网的 H Q 特性曲线图 图 4 中曲线 1 为风机开始调节前的风压一风量 (H 一 Q)特性曲线，曲线 a 为管网风阻特性曲线 (管网阻力最小 )。假设风机设计工作在 A 点效率最高，输出风量 错误 !未找到引用源。为 100%，对应的轴功率 错误 !未找到引用源。 从与风量 错误 !未找到引用源。 和风压 错误 !未找到引用源。 的乘积面积 A 错误 !未找到引用源。 成正比。 如果生产要求风量从 错误 !未找到引用源。 减少到 错误 !未找到引用源。 时，若采用关小风机管路阀门的方法调节，相当于增加管网阻力，使管网阻力特性曲线变化到 b，系统工况点也由 A 点变到 B 点。从图中可以看出，风量虽然减小了，风压反而增加了，代表轴功率的面积 B 错误 !未找到引用源。 比调节前减少不多。 若采用变频调速控制局部通风机的运行，随着风机转速的下降，风压风量特性变为曲线 2，系统工况也由 A 点变到 表轴功率的面积 C 错误 !未找到引用源。 比采用前一种方法调节显著减少，两者之差即是节省的气体功率。 当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系： 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源 。 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 15 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 式中： 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机调节前后的转速， r/ 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机转速调节前后的风压， 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机转速调节前后的功率， W。 由以上的比例关系，可以看出风机的风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。如果通风机的转速降低为原来 的 50%，则风量也变为原来的50%，功率降低为原来的 这说明通过改变通风机的转速的方式，可以改变通风机的功率输入，可以节省大量的电能。根据上述变频调速的原理，矿井通风机的转速。的改变，可以通过改变通风机输入电源的频率 一过程可以通过变频器来完成。 频器的结构 变频器按结构来分，分为交一交变频器和交一直一交变频器两种。交一交变频器可将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交一直一交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直 流电转换成频率、电压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交一直一交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，其基本结构如下图所示 图 5 变频器基本结构图 (1)整流器 整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种 (2)逆变器 逆变器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频 16 率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体主少干关器件组成的桥式电路是常见的逆变电 路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。 (3)中间直流环节 中间直流环节又称为中间储能环节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于 1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲 (4)控制电路 控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等 制变频器的 方式 在许多工程应用中，为了提高控制系统的自动化水平，需要把 变频器结合起来使用 ，对异步电机进行变频调速控制。总的来说， 制变频器的方式主要有以下三种方式： (1)频率输出控制端子的逻辑组合方式 大多数变频器都有几个不同的频率输出控制端子，我们可以通过变频器参数的设定，设置控制端子不同的频率输出。通过对变频器控制端子逻辑输入口的逻辑组合，可以实现电机的启停控制和输出频率的改变网。其逻辑组合控制是用 输出去控制变频器控制端子的 态，使变频器输出不同频率的电源，进而控制异步电机的转 速。由于变频器控制端子的输出频率是预先设定的，它的输出频率也只是一些固定的数值，不能实现异步电机的无级平滑调速。因此，这种控制方式只适合不需要电机连续调速就能满足生产要求的场合。 (2)通讯的方式 目前一般的变频器都带有 口，大多数的 都支持 通讯。通过串行电缆把 变频器的 讯接口连接起来，用通讯的方式把频率由 给变频器，这就是 制变频器的通讯方式。在这种控制方式中，要占用 一个通讯接口，如果 通讯接口为 口，加一个转换器转换成 口就可以了。如 过通讯的方式来监控变频器，可以传送大量的信息，连续地监控多台变频器，还可以通过通讯修改变频器的参数，实现多台变频器的联动控制和同步控制。由于变频器的种类很多，不同厂家生产的变频器使用不同的通信协议，有 站协议、 议和用户自定义协议等，必须用变频器支持的协议来完成 变频器的通讯。 (3)模拟量控制的方式 现在生产的 般都具有模拟量信号处理的功能，模拟量信号通过 A/D 模块和 D/出 010V 的电压或 420电流，把输出的信输入到变频 器相应的模拟量输入端子，可以控制变频器输出电源的频率，这种 制变频器的方式，称为模拟量的控制方式。它要求 变频器的控制距离不是很远，且是一对一的控制场合，但这种控制方式使用起来比较简单，对 要求也不是很高。由于本控制系统中采用的是两台变频器控制对旋轴流风机两台电机的方案，是一对一控制，为说明问题，本系统采用 17 3通信网络的实现 系统共分三层：设备层，控制层，监控层 设备层即现场测量层主要实现风机变量参数的 测量和风机的控制，由各种传感器，电量监测设备，变频器等组成，完成对设备运行的自动控制和监控设备本身的运行工况参数的采集。 中央控制层由带有以太网接口的 成， 为总站，就地站以及远程输入站作为从站，采用 场总线实现现场设备的互连，节省了大量的 A/D 等传输和转换模块。通过以太网交换机与上层监控管理层的工控机联网，向工控机传送风机系统的运行状态 (运行、停止、正转、反转等 )，同时接收工控机的控制命令，采集风机系统的工况参数 (如风压、风量、风机轴承温度、电机定子绕组温度、电压、电流、 功率因数、功率和开关状态等 )，其采集的数据经过转换后远传给上层监控管理层的工控机。 远程监控管理层直接接入矿调度室，由上位工控机、打印机、不间断电源等设备组成，提供集中监控管理功能，可以实现监控风机系统运行工况、故障报警与分析、数据统计分析、报表生成打印、历史数据记录管理等操作。 18 图 6 网络结构 场总线控制系统和以太网技术 随着计算机、通讯、网络等技术的进步，现场总线控制系统得到了迅速发展。相对于传统的 制系统，现场总线有着分散控制更彻底、开 放性好、可靠性高、总体价格也较便宜等优点，现场总线控制系统被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。 对于矿井通风机监控系统而言，为保证通风机的安全可靠运行，其功能必须涵盖通风机电动机启停控制、风门的开合、风量调节、各项运行参数监测以及上下位机通信等多个方面。大型煤矿生产企业所应用的生产设备往往多而分散，对于传统的基于 产品的监控系统来说，如不采用现场总线技术将各生产设备的监控系统有机地连为一体，则难以及时有效地对各设备的状态进行协调管理，在很大程度上不 利于生产效率和安全性的提升。与此同时，以太网作为一项比较成熟的技术正向自动化领域逐步渗透，从企业决策层、生产管理调度层向现场控制层延伸。以太网传输速度的提高、高速以太网的应用以及工业级以太网部件推出，使影响以太网进入工控领域的确定性问题和可靠性问题逐渐得到解决。以太网将能逐步胜任那些目前由工业自动化网络承担的控制任务，基于以太网的工业控制系统将会更多地出现在工业应用中，成为一种简单、廉价、实用的企业控制网络方案。工业以太网是基于以太网技术和 P 技术开发出来的一种工业通信网络。工业以太网广泛应用于工厂 的控制级通信，以实现 间， 之间的通信。 场总线与以太网的互连 为了解决现场总线面临着标准繁多、难以与企业管理网络集成等诸多问题，于是就出现了把自动控制与计算机管理系统结合起来，集管理和控制为一体的系统。一些复杂的控制系统常采用两级网络拓扑结构。底层用现场总线以便控制装置尽可能靠近现场设备，上层采用工业以太网监控，从而实现对生产过程的集中管理和分散控制，这种将两层网络应用到自动化系统的方法，实现信息的完全共享，极大的提高了对复杂生产过程的检测、监督和控制功能，提高了系统 的利用率。工业控制领域采用以太网作为现场设备之间的通信网络平台，可以避免，现场总线技术游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使现场总线技术和其它网络技术互相促进、共同发展，并保证技术上的可持续发展在技术升级方面无需单独的研究投入。其互连模型如图 7 所示： 19 图 7 现场总线与以太网互联 络的具体实现方法 本系统现场总线采用 线。 般用于车间设备级的高速数据通信，主站（ ）通过标准的 用电缆与分散的现场设备（远程 I/O， 驱动器，阀门，智能传感器等）进行通信，对整个 络进行管理和控制。用双绞线或光缆作为传输介质，传输速率从 s 到 12s。 以通过 信模块连接到 络中。 同时本系统中采用 太网通信模块将 接到工业以太网中。借助于 以用于远程组态，编程和诊断。 20 4系统的硬件设计 系统的硬件连接见附录 1。 主电路中 对旋式轴流风机的两台电机，交流接触器 别控制 工频运行；交流接触器 别控制 变频运行；主电路电源的隔离开关； 主电路的熔断器； 电机 热继电器。 21 图 8 主电路图 在风机控制系统硬件电路的控制电路部分，利用 行控制，可以大大提高系统的可靠性、节省大量的继电器、实现较复杂的逻辑控制以及进行模拟量控制等功能。控制系统采 用 7列 时外部扩展 块。本控制系统接线图如下图 9 所示。 该 制系统可以实现风机手动工频、自动变频和手动变频运行的切换，其中手动变频是指使用变频器控制面板手动控制风机的变频运行。在风机自动变频运行时，是利用采集到的风压信号进行通风机的变频调速控制。其中按钮 制风机的自动变频运行；按钮 制风机的手动变频运行；按钮 制风机的工频运行；按钮 制风机的停止；按钮 报警灯铃的调试按钮； 消铃按钮； 别 为 别为 频运行的指示灯； 变频器故障报警指示灯； 1#电机振动异常指示灯； 2#电机振动异常指示灯； 井巷压力下限指示灯； 1#电机温度上限指示灯； 2#电机温度上限指示灯； 22 图 9 控制电路 系统的 I/O 地址分配如下表所示： 名称 代码 地址编码 输入信号 自动变频按钮 动变频按钮 频运行切换按钮 止运行按钮 频器 1 故障输入 1频器 2 故障输入 223 试灯铃按钮 铃按钮 动变送器输入 压传感器输入 力传感器输入 #电机定子温度输入 #电机轴承温度输入 #电机定子温度输入 #电机轴承温度输入 称 代码 地址编码 输出信号 1#风机变频运行接触器 指示灯 #风机工频运行接触器 指示灯 #风机变频运行接触器 指示灯 #风机工频运行接触器 指示灯 频器 1 启动 1频器 1 故障复位 1频器 2 启动 2频器 2 故障故障复位 2频器故障信号灯 #电机振动异常指示灯 #电机振动异常指示灯 巷压力下限指示灯 #电机温度上限指示灯 #电机温度上限指示灯 警电铃 压模拟量输出 1 I/O 地址分配 24 件的选型 选型 在进行 号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。另外，还要考虑 数的要求，一般在确定控制系统的 数后，还要留有 15%一 20%备选 数。同时，还要考虑 存储容量，还要留有 30%一 50%的裕量。最后还要根据系统的功能要 求，考虑是否要选择模拟量输入 /输出模块和特殊功能模块。 有 24 输入 /16 输出，共 40 个数字量 ；有 2 个 信 /编程接口；有 制器，具有 整定的功能；也有 自由方式通信的能力。更大的存储空间，更强的扩展能力及更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，使其可以满足复杂的中小型控制系统的要求。 在本设计中共有 8 输入 /11 输出， 7 点模拟量输入和 1 点模拟量输出。综合上述条件，本系统选用 司 列 外选用 块和 块。 块有 4 点模拟量输入， 1 点模拟量输出。 4 点模拟量输入。同时由于本系统要求 100 230V 源， 入，继电器输出 ， 选择 16号 。 统配置具体如下： 功能 型号 数量 主控单元 C/ 模拟量扩展 44 1 通讯模块扩展 以太网 1 表 2 元选型 频器的选型 容量选择 风机在某一转速下运行时 ,其阻转矩一般不会发生变化 ,只要转速不超过额定值 ,电动机也不会过载 ,一般变频器在出厂标注的额定容量都具有一定的余量安全系数 ,所以选择变频器容量与所驱动的电动机容量相同即可。若考虑更大的余量 ,也可以选择比电动机容量大一个级别的变频器 ,但价格要高出不少 风机采用变频调速控制后 ,操作人员可以通过调节安装在工作台上的按钮或电位器调节风机的转速 ,操作十分简易方便。变频器的运行控制方式选择，可依据风机在低速运行时，阻转矩很小，不存在低频时带不动负载的问题， 故采用 V/F（恒压频比）控制方式即可。并且，从节能的角度考虑， V/F 控制方式是最低的。 风机、泵类负载在一定的速度范围内运转时，空气或液体所产生的阻力大致与转速 矩按转速平方的变化而变化，这类负载称为平方转矩负载。根据变频器的选择原则，该系统中选用的是两台型号为 机和泵类变转矩负载专用变 25 频器。使用 V/F 控制方式的变频器来控制风机的转速。 全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围 250按照专用要求设计，并 使用内部功能互联（ 术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动 /自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。 本系统中实验风机的功率为 24此可以选择同样功率的变频器。 图 10 变频器与 连接 图 10 中变频器的故障信号输出接 口， 输出端口 变频器的数字输入端 于变频器启动和停止控制。压力传感器采集的信号经 理后，由 块的 3 口和 5 口输出，连接 频器的 而控制两台电机的运行。 频器输入值计算 上面提到：当通风机稳定运行时，风机的风量、风压、功率与转速有以下比例关系： 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 式中： 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机调节前后的转速， r/ 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机转速调节前后的风压， 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 通风机转速调节前后的功率， W。 风机工频运行时，在稳定工作区的出气静压为 机管道的出气风量为 误 !未找到引用源。 /s 假设某煤矿一井下掘进工作面需要 19 人工作，根据煤 26 炭安全规程规定每人每分钟需要的风量应不少于 错误 !未找到引用源。 /s，如设定为 5 错误 !未找到引用源。 /s，可计算出要求风机管道的出气风量为 Q=误 !未找 到引用源。 /s。令 错误 !未找到引用源。 =2900r/错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 /s，错误 !未找到引用源。 =50错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 /s，根据风机的比例定律，可求出掘进巷道开始掘进时，风机变频调速的起始速度 错误 !未找到引用源。=(错误 !未找到引用源。 /错误 !未找到引用源。 )错误 !未找到引用源。 =1744r/根据风机转速与输入电源频率的线性关系，可估算出 错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 /s 时，变频器输出给风机的电源电压频率 错误 !未找到引用源。 =(错误 !未找到引用源。/错误 !未找到引用源。 )错误 !未找到引用源。 =30 当巷道中的管网阻力增加时，风机的风量随之减小，为了满足所需风量的要求，要调节风机的转速控制风机的风量。为了实现这一目的，本系统采用根据风机出气风压的变化进行风量的控制。首先，用压力传感器采集风机的出气风压。然后，根据风机的比例定律，把风压转换到风机额定转速卞的压力。接着，根据风机额定转速下的压力一流量特 性曲线方程，求出此风压下对应的风量大小。最后，再根据风机的比例定律，求出风量达到设定的 误 !未找到引用源。 /s 时，风机需要调整的转速大小。由于变频器 0模拟输入电压对应 0输出电压频率，而 050电压频率又对应风机 0转速。根据此线性关系，可以求出风机达到需要调整的转速时，变频器需要的模拟输入电压值。其具体的理论算法如下图 11 所示。 图 11 风机及管网风量 风机在刚开始启动时，风机的管网阻力最小为 错误 !未找到引用源。 ，输入电 源电压频率为 30频器设定 )，其工作的工况点为 0。由以上表 4 中的实验数据，可知此工况点的风量 错误 !未找到引用源。 =误 !未找到引用源。 /s，风压 错误 !未找到引用源。=机转速 错误 !未找到引用源。 =1744r/据变频器的输出频率与其输入模拟电压的线性关系，可知 错误 !未找到引用源。 =30，对应变频器的模拟输入电压 错误 ! 27 未找到引用源。 =30/50 错误 !未找到引用源。 10=风机的管网阻力由 错 误 !未找到引用源。 增加 到 错误 !未找到引用源。 ，时，工况点由 0 到 1，风量由 错误 !未找到引用源。 减小到 错误 !未找到引用源。 。此时，压力传感器采集的压力为 错误 !未找到引用源。 ，可由下面风机的比例关系式求出工况点 3 的压力值。 (4式中： 错误 !未找到引用源。 ， 错误