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河北工程大学毕业设计 I 摘 要 通风机是矿山机电中主要设备之一，由于他的运行功率大并且不间断运行，成为矿 山机电中的用电大户，相对于以往的调速手段，采用变频调速的方法可以大大降低通风 机能耗，提高通风机的使用效率。通风机在矿井安全中起着相当重要的作用，老式的监 控手段效率低，准确性不高，监测能容不全，针对煤矿主风机的安全运行于简单、监测 内容不全面、部分关键参数监测精度较低以及未与调度中心信息系统集成等问题，设计 了一种基于 PLC 和组态软件的矿井通风机只能监控系统。研究了该系统的结构，论证了 系统软硬件的实现方法。系统实现了通风机的系性能参数、状态参数和电动机电气参数 的实时监测和远程控制，保证了通风机经济、可靠的运行，具有操作方便、安全可靠的 特点。 关键词关键词:通风机；变频；PLC；组态 河北工程大学毕业设计 II Abstract Fan operation in power for a long time ,so consumption greatly power .It adopts speed-adjusted method can reduce the ventilator energy consumption. In view of oversimpleness of monitoring system for main fans in mines, incomplete monitoring information, low monitoring precision of some key parameters and failure of communication with information system of control center ,a kind of intelligent monitoring system for main fans in mines is designed based on PLC and configuration software .the structure of the system is studied, and the and software implementation methods are discussed. The system realizes the real time monitor and remote control of main fans performance parameters and state parameters as well as motor electrical parameters, which ensures economical and reliable operation of main fans and is characterized by easy, safe and reliable operation. Keywords: ventilator；frequency conversion；PLC; configuration 河北工程大学毕业设计 I 目录目录 摘摘 要要I ABSTRACTABSTRACTII 第第 1 1 章章 概述概述1 1.1 课题提出的背景1 1.2 研究课题的目的2 1.3 研究课题国内外发展现状2 1.4 本设计主要任务3 第第 2 2 通风机变频调速通风机变频调速4 2.1 通风机变频调速的作用4 2.2 通风机变频调速节能原理4 第第 3 3 章章 通风机变频调速硬件配置通风机变频调速硬件配置7 3.1 高压供电系统7 3.2 高压变频器9 3.2.1 硬件概述9 3.2.2 变频器原理11 3.3 控制系统16 3.3.1 控制系统组成16 3.3.2 控制系统接线17 3.3.3 控制系统特性18 3.4 低压供电系统19 3.4.1 低压配电柜19 3.4.2 低压进线切换20 3.4.3 UPS 电源20 第第 4 4 章章 通风机变频监控系统设计通风机变频监控系统设计21 4.1 监控系统结构方案21 4.2 下位机系统设计22 4.2.1PLC 简介22 河北工程大学毕业设计 II 4.2.2PLC 控制原理22 4.2.3 PLC 程序功能24 4.2.4 PLC 程序设计25 4.3 上位机系统设计31 4.3.1 组态软件功能简介31 4.3.2 人机操作界面设计31 第第 5 5 章章 结论结论33 5.1 概述33 5.2 系统的优点33 5.3 系统中的问题33 5.4 展望34 附附 录录35 参考文献参考文献56 谢谢 辞辞57 河北工程大学毕业设计 1 第 1 章 概述 1.1 课题提出的背景 通风机是一类将原动机的机械能转化为气体压力能和动能的流体机械。而在煤矿生 产中，通风机担负着向井下输送足够的新鲜空气，以冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的 煤尘，保证给井下作业的工人一个安全、可靠、良好的工作条件，被人们称为“矿井肺 胀” 。但目前，在我国许多煤矿矿井通风形势不容乐观，很多矿井通风设备落后，带病运 转、报废再用现象普遍存在，严重威胁着矿工生命安全。为此。必须对通风机进行有效 的性能检测，以保证通风设备的安全运行和煤矿安全生产。 目前，我国对煤矿设备的检测技术和手段都十分落后，主要以人工操作试验过程、 手工测量和记录试验数据、手工绘制风机特性曲线为主，因此普遍存在测量结果偏差较 大，从而导致绘制的风机特性曲线不能准确反映风机的运行状况。 煤矿安全规程中大 型机电设备的性能参数提出明确要求，为满足要求必须定期进行设备性能参数的全面测 定，并进行系统分析，以保证设备处于良好的运行状态。所以设备的日常检测和性能检 测工作就变的非常重要，对其进行定期“体检” ，掌握设备的性能状态，及时发现缺陷， 消除隐患，做到科学管理和科学使用由此可以看到，从设备运行的安全性和经济性来考 虑，建立风机设备的检测系统势在必行。而有的煤矿单位采用分散型仪表和装置，效率 低、精度差，检测范围及检测数据的局限性大，测试方法、数据处理技术相当落后，提 供技术数据不能很好的满足现代化。 煤矿安全生产的需要虚拟仪器是以微型计算机为核 心，辅以一定的硬件设备，用通用或专业软件开发实现仪器功能软件的新一代测试仪器。 虚拟仪器以鲜明的特点和无可替代的优势，已成为当今仪器仪表领域发展的一个重要研 究和应用方向。 由此可见通风机的安全可靠性在工农业生产中的地位显而易见。而通风机的安全性 及其工作效益与它的性能息息相关，所以通风机良好的性能是保障生产安全运行、取得 预期运行效益的最基本要求。通风机性能测试是成品风机的检验、选型、改制，新产品 的开发、研制，风机参数的获得、通风机性能曲线的绘制以及风机运行状况检测等的基 础，也是科学、合理、客观地评价其产品质量和性能的前提和基础；同时通风机性能试 验也是高等学校气动与流体力学、农业机械、矿山机械、环保机械等课程的重要实验内 容之一。由于通风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯的理论计算方法准确地获 得通风机性能曲线，只能通过试验方法测定。因此，快速准确地测定通风机性能参数并 河北工程大学毕业设计 2 绘制性能曲线对开展通风机的研究有重要的意义。 1.2 研究课题的目的 针对现代煤矿企业通风机的运行现状，通风机是煤矿安全生产的关键设备，担负着 矿井上下空气的正常流通，保证矿井安全生产和井下工人生命安全的重任。所以通风机 的安全、可靠、高效运行是矿井安全的必要保证。因此对通风机的性能、运行状态进行 评判是很有必要的。本文采用采用 PLC 技术设计了基于虚拟仪器的矿用通风机性能检测 系统。本文分析了通风机性能检测的基本原理，并在虚拟仪器技术的基础上构造了通用 的通风机性能试验台架，在试验台上进行测试并计算出流量、压力、转速、功率及效率 等性能参数，以检验风机性能是否符合技术要求。风机性能试验是在通风机转速不变的 情况下，改变风机的流量，检测通风机各个性能参数，并绘制性能曲线的过程。然后根 据系统设计要求完成了系统硬件设计，对传感器、数据采集卡进行了选型，设计了信号 调理电路。为通风机的安全、可靠、高效地运行提供强有力的技术保障，这对于确保矿 井的安全生产，提高矿井通风机的现代化管理水平具有重大意义。 1.3 研究课题国内外发展现状 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生 了巨大的变化，美商国家仪器公司于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器 的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚 拟仪器。而在当代许多科学家和工程师把虚拟仪器应用在检测工程领域，并且取得了非 常显著的效果。例如德国大众汽车公司将虚拟仪器应用到汽油发动机综合检测中，在大 大节省开发资金和缩短开发周期的同时，取得了比传统仪器更好的检测效果。IBM 公司 将虚拟仪器技术厚膜混合集成电路的检测中，同样也取得了鲜明的效果。和国外相比， 国内在检测测量领域的研究，目前仍然以单片机居多，普遍存在抗干扰性能差、可靠性 低等缺陷。但是这几年，国内也有一批高等院校和科研单位也逐渐将虚拟仪器应用到汽 车、矿山机械、工程机械等检测领域。在基于虚拟仪器的矿用设备性能监测检测系统研 制开发方面，国内也已经取得了一些成果。例如中国矿业大学“电子计算机在矿井通风 管理工作中的应用”研究基础上，结合“提高矿井主扇综合运行效益研究”项目，研制 成风机装置性能测定计算机数据采集系统；华东工业大学开发研制了离心风机、轴流风 机、冷却塔风机以及屋顶风机全性能自动检测装置；安徽理工大学的裴九芳、张新利用 虚拟仪器对压缩机的性检测进行了研究；浙江大学的武钢、朱祖超利用虚拟仪器技术对 河北工程大学毕业设计 3 水泵瞬态特性进行实验研究；廖俊、罗晟等进行了计算机辅助风机试验系统的研究；兖 州矿业公司南屯煤矿和山东矿业学院共同研究了“南屯煤矿压风机工矿检测系统” ；红石 岩煤矿的惠龙安开发的基于虚拟仪器的矿用轴流式通风机性能检测与分析；华中科技大 学的戚新波、范峥、陈学广研制的基于虚拟仪器的风机性能检测系统等。 1.4 本设计主要任务 （1）通风机变频调速效益分析 通风机由于其高功率并且不间断运行的特点，所以一直是矿山机电的用电大户，通 风机调速可以通过调节风门开度，绕线电动机切换等方法，通过使用变频器调节电动机 的转速是效率最高，也最节能的方法，本设计中将详细介绍风机调速的效益分析。 （2）通风机变频调速系统的硬件配置 通风机变频调速监控系统，分为高压供电部分，低压供电部分，控制部分等，其中 高压供电部分主要给通风机电动机供电，低压供电部分主要给控制柜、操作台供电，控 制部分实现了通风机的自动化控制，本设计将详细介绍各部分的结构组成等。 （3）控制部分的软件设计 根据系统的设计功能，以及 PLC 和组态软件的工作原理，将系统的功能细化，设计 变成 PLC 的程序，并对各部分功能进行详细说明，对于组态来说主要是人机操作界面的 配置，根据工作现场的具体要求从 PLC 中提取相应的数据，在操作界面中进行直观的表 达。 河北工程大学毕业设计 4 第 2 通风机变频调速 2.1 通风机变频调速的作用 煤矿主通风机连续、正常运转是保证矿井安全生产的必要条件，其运转效率的高低 直接影响着矿井的电力消耗及生产成本。由于通风机功率一般较大并且必须常年运行， 是煤矿的耗能大户，其耗电量大约占全矿生产用电量的 10以上。 目前，我国矿井主通风机系统运行效率低的问题仍相当普遍与严重，据有关资料介 绍，国有重点煤矿有 1/3 的机电设备处于高耗低效运行状态，运行效率低达 30%40%。 在进行主通风机风量调节时，有相当多的矿井仍采用闸门或叶片安装角调节方式；还有 一个较普遍的现象，就是由于电机无调速装置，长期处于恒速运转，既浪费了风量，又 增加了电能消耗。 采用交流变频调速技术实现矿井主通风机控制，可以方便地将以往在通风机恒速运 转下的风量调节方式改为以调节交流电机转速的方式来实现，从而达到改变通风机运行 工况，实现节能的目的，是矿井实现节能减排、绿色开采的一种重要技术措施。 2.2 通风机变频调速节能原理 煤矿由于受复杂的生产条件和环境影响，在矿用设备选型上都采用功率比较大的型 号，电机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能十分严重。如何以技术进步和技术 创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤炭生产企业需要解决的迫切课 题。 煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，作为矿井主通风，它每天 24 小时不停地 运转。随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机所用功 率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节。但煤矿原根据反风 及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产 所需的运行功率。 传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门、叶片角度来实现的。从通风 机选型的过程和煤炭生产的实际情况，通风机恒速运行存电能的严重浪费、启动困难， 机械损伤严重、自动化程度低等现象。 河北工程大学毕业设计 5 主扇风机根据不同风量调节方法功率损耗曲线（如图 2-1)，挡板法调风效率最低，变 频调速法效率最高。考虑到矿井通风系统的运转效率和系统可控性的提升，电力拖动系 统首选高压变频器，以利于实现主通风机的变频集中控制。采用变频集控系统可实现对 主通风系统所有信号的监测及控制，提高系统的功率和节能水平。 图 2-1 不同风量调节方法功率消耗曲线 (1-挡板法；2-前导器法；3-液力耦合器；4-绕线电动机切换转子电阻调速法；5-变 频调速法。) 变频调速控制风量的节能原理： 与风门控制风量方式相比，采用调速控制风量有着明显的节能效果。通过风机特性 曲线图（图 2-2）可以说明其节能原理。 图 2-2 风机特性曲线图 图 2-2 中，曲线 1 为风机在恒速 n1 下的风压-风量(H-Q)特性；曲线 2 为管网风阻特 性（风门开度全开）。设工作点为 A，输出风量 Q1为 100%，此时风机轴功率 N1同 Q1 与 H1的乘积，即面积 AH1OQ1成正比。 河北工程大学毕业设计 6 根据工艺要求，风量从 Q1降至 Q2有两种控制方法。 a.风门控制： 风机转速不变，调节风门(开度减小)，即增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线 3，系统工作点由 A 移到 B。由风机特性曲线图可见，此时风压反而增加，轴功率 N2与 面积 BH2OQ2成正比，大小与 N1差不多。 b.调速控制： 风机转速由 n1 降到 n2，根据风机参数的比例定律，画出转速 n2 下的风压-风量(H-Q)特 性，如曲线 4，工作点由原来的 A 点移到 C 点。可见在相同风量 Q2的情况下，风压 H2 大幅度降低，面积 CH3OQ2也显著减少；节省的功率损耗N 同 Q2与H 的乘积面积成 正比，因而节能效果十分明显。 由流体力学可知：风量与转速的一次方成正比(Qn)；风压与转速的平方成正比 (Tn2)；轴功率与转速的三次方成正比(Pn3)。它们之间应满足公式: ; ; (2-1) ee n n Q Q 1 2 11 ee n n T T 3 11 ee n n P P 式中，Q 为风量； Qe 为额定风量； T1为变频运行时风压； Te 为额定风压； P1为变频运行时电机的消耗功率； Pe 为电机额定功率；n1为变频运行转速；ne为额定转速 调节电机转速，就可相应的调节输入风机的功率，降低风门调节风量时消耗在风门 上的功率，就是采用变频调速达到节能的原理。依据 （2-2） p sf n )1 (60 式中，n 为电机转速；f 为电源频率；p 为电机极对数；s 为转差率。 改变异步电动机的电源频率，即可调节转速，这种方法是最简单、最直接有效的交 流异步电动机调速方法，利用该方法可达到调节风量及功率的目的。 因主扇风机风量还有很大调整空间，采用变频技术，将叶片安装角度调整到工业利 用区内的最佳工况点，通过调整电机转速实现所需风量、风压，通过节省风量余量空间 节省电动机电能消耗，达到节电目的。例如，风量节省余量为 20%时，转速即下降到 80%， 轴功率将下降到额定功率的 51%。 根据以上分析，采用变频调速控制方案，通过选用工业利用区内的最佳工况点，合 理调整电机转速，无间断的实现主扇风机需求风量、风压，节电明显，经济效益十分显 著。 河北工程大学毕业设计 7 第 3 章 通风机变频调速硬件配置 通风机变频调速系统主要由高压供电系统、高压变频器、低压供电系统、控制系统、 风机监测等单元组成。 3.1 高压供电系统 煤矿主通风机一般是两台，一用一备。电压等级一般为 10KV 或 6KV。变频器的设 置可根据现场情况与客观需要，一台变频器带一台风机或一台变频器通过切换带两台风 机。变频器均设旁路，即当变频器检修或损坏时，通过旁路直接启动风机（电机） 。 一拖一方式：一台风机配一台变频器；两台风机配置两台变频器，各自独立。一次 供电系统图如图 3-1： 河北工程大学毕业设计 8 图 3-1 一拖二方式如图 3-2 QF QS1 1U,1V,1W 2U,2V,2W M QS2 10KV(或6KV)开关柜 旁路 交-直-交高压变频 10KV(或6KV)电动机 10KV(或6KV)母线 变频成套装置 河北工程大学毕业设计 9 图 3-2 3.2 高压变频器 高压变频器是风机变频系统中的重要环节，根据需要，可配置对应的同步或异步电 动机。 3.2.1 硬件概述 1QF 1QS1 1U,1V,1W 2U,2V,2W 1M QS3 旁路 交-直-交高压变频 2QF 2M 2QS1 QS2 旁路 10KV(或6KV)母线 10KV(或6KV)开关柜 10KV(或6KV)电动机 10KV(或6KV)电动机 变频成套装置 河北工程大学毕业设计 10 高压变频器柜由：变压器柜、控制/单元柜、手动/自动旁路柜(选配)组成，图 3-3 和 图 3-4 为变压器柜和功率单元柜实例图片。 图 3-3 变压器柜 图 3-4 功率单元柜 河北工程大学毕业设计 11 3.2.2 变频器原理 3.2.2.1 主电路 高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为 IGBT。由于 IGBT 耐压所限，无法直接逆变输出 6KV、10KV，而因开关频率高、均压难度大等技术 难题无法完成直接串联，因此高压变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压 变频器的成熟技术，具有很高的可靠性 图 3-5 变频一次系统原理 河北工程大学毕业设计 12 输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边 三角接法，相互之间有一定的相位差相位差为 60/n。 图 3-6 这种多级移相叠加的整流方式，能够消除大部分由独立功率单元引起的谐波电流， 可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功 率因数达到 0.95 以上。 变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。相输出 Y 接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。 变频器系列 每相串联 单元数 单元额定 电压（V） 输出相 电压（V） 输出线 电压（V） 每相电压 等级数量 6kV56903450600011 10kV969057741000019 河北工程大学毕业设计 13 图 3-7a 6kV（5 单元串联）电压叠加图 图 3-7b 10kV 电压叠加图 图 3-8 为五个 690VAC 功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输 出的相电压波形示意图，可以得到 50-5 共 11 个不同的电压等级。增加电压等级的同 时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了 dv/dt 对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输 河北工程大学毕业设计 14 出电压的谐波含量，图 3-9 为 6kV 五单元变频器输出的 Uab 线电压波形实录图，峰值电 压为 8.5KV。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图 3-10 即为输 出电流 Ia 的实录波形图，峰值电流 130A。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输 出性能，输出波形几乎接近正弦波。 图 3-8 6kV 系列 5 单元输出及相电压波形示意图 图 3-9 输出线电压波形 图 3-10 输出电流波形 3.2.2.2 功率单元 功率单元原理见图 3-11，输入电源端 R、S、T 接变压器二次线圈的三相低压输出， 三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由 IGBT 组成的单相 H 形桥式逆变电路。 功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制 Q1Q4 IGBT 的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电 压状态，当 Q1 和 Q4 导通时，L1 和 L2 的输出电压状态为 1；当 Q2 和 Q3 导通时，L1 和 L2 的输出电压状态为-1；当 Q1 和 Q2 或者 Q3 和 Q4 导通时，L1 和 L2 的输出电压状 态为 0。 河北工程大学毕业设计 15 图 3-11 功率单元原理图 功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相故障、过热和 IGBT 故障而不能继 续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时旁路开关 K 导通， 以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。单元旁路时，变频器因运行单元数量减少， 额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低，如 6kV 系列运行频率低于 40Hz 时， 10kV 系列运行频率低于 43.7Hz 时，变频器将自动提高工作单元的输出电压， 而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。 每个功率单元内均有一块控制板和一块驱动板。 控制板原理图见图 3-12。控制板通过光纤（XS4）接收来自控制器的信号，经接收解 码器解码后用于对 IGBT 及旁路开关（可选）的控制。同时，控制板上还有各种单元故障 检测电路，如过热检测、缺相检测、直流母线过压检测、电源故障监测、光纤故障监测、 驱动故障检测等，这些故障信号经过故障编码逻辑电路编码后，由光纤（XS3）发送回控 制器，实现故障保护（接口板输出故障保护跳闸及故障报警指示）和故障记忆（人机界 面显示故障原因、时间、位置，并保存） 。 控制板上的控制电源直接取自直流母线（通过 XS1） ，经过开关电源的隔离和变换后 得到所需控制电源。因此，高压电源失电后，控制电源并不会立即消失，控制板上的电 源指示灯经过几分钟后才能熄灭。这种取电方式可以确保高压电源瞬时停电跟踪功能的 实现。 河北工程大学毕业设计 16 图 3-12 单元控制板原理图 3.3 控制系统 3.3.1 控制系统组成 控制系统由控制器、IO 接口板和人机界面组成，各部分之间的联系，如图 3-13 频器 控制系统结构图所示。 河北工程大学毕业设计 17 图 3-13 变频器监控系统图（10kV 系列） 3.3.2 控制系统接线 操作台与控制柜接线由低压柜供电，在操作台上将线路并联接到 AG1 控制柜，AG2 控制柜，操作台指示灯，指示仪表和电脑等。这些电源分别给 1#操作柜，2#操作柜，操 作柜指示灯，和电脑等供电。控制柜主要由 PLC 和各种继电器构成，PLC 的各模块之间 串联连接，继电器通过输入输出接口与 PLC 连接；在通风机变频调速回路中有各种传感 器，通过他们与控制线路中的继电器相连接，然后再将实时信号传到 PLC 中。控制线路 的结构图见图 3-14 监控系统，主要以控制器为核心，与操作台和控制电路中的各个继电器相连接，控 制器选用 S7-300PLC，采用模块化结构设计，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能 模块、接口模块、通信处理器、电源模块等组成，机架用于固定各类模块，信号模块为 输入输出模块，通过与外部继电器常开或常闭触点相连接，将外部信号传送给 I/O 模，然 后由 CPU 模块进行程序处理，接着将处理结果传给外电路：通信处理器模块用于 PLC 之 间或 PLC 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将 PLC 介入 AS-I 和以太网，或用 功率单元 10kV 电动机 单元A9 单元A8 输入电源 单元A2 单元A1 单元B1 单元C9 单元C8 单元C2 单元C1 单元B2 单元B8 单元B9 控 制 器 接口板 信号 人机 界面 现场系统 ，通讯协议 信号 隔离变压器 输出电流检测 输出电 压检测 输入电 压检测 输入电流检测 河北工程大学毕业设计 18 于实现点对点的通信等。 图 3-14 接线结构图 3.3.3 控制系统特性 （1）高可靠性； （2）操作智能化； （3）功率单元模块化结构，可以互换，维护简单； （4）限流功能； （5）输出电压自动调整； （6）宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件； （7）功率单元光纤通讯控制，完全电气隔离； （8）内置 PID 调节器，可实现闭环运行； -AH1 1# 13 14 -AH2 PT 1#6KV -QS1 13 14 -KM1 13 14 -QS2 13 14 -KM2 13 14 M -M1 -AH3 1# 13 14 -AH4 1# -KM3 13 14 13 14 -AH5 -AH6 2# 13 14 -QS3 13 14 -KM4 13 14 -QS4 13 14 -KM5 13 14 -AH7 2# M -M2 13 14 -AH8 2# -KM6 13 14 13 14 2#6KV -AP1 13 14 -BF2 -AP2 -BF3 2# +AG2/P13.00 -AP3 操作台 13 14 -AP4 ET200M -AG1 1# -AG 2 2# 低压柜 -BF2 1# 河北工程大学毕业设计 19 （9）隔离 RS485 接口，采用 MODBUS 通讯规约； （10）具有本地、远程、上位三种控制方式； （11）全面的故障监测电路、及时的故障报警保护和准确的故障记录保存； （12）可根据用户要求作特殊设计。 3.4 低压供电系统 低压配电系统引自系统 6kV 中压配电系统-变压器-低压电源配电柜。低压配电系统采 用双电源切换供电模式，正常时保证有一路电源供电。 3.4.1 低压配电柜 低压配电系统通过电源变压器向提升机电气控制系统和低压辅助设备供电。通常为 了保证系统可靠运行，AC 380V 低压配电系统的进线电源为双回路电源。低压配电柜采 用抽屉式低压组合开关柜。主要参数如下： AC 380V 低压配电柜 进线电压AC 380V 塑壳式断路器施耐德 极限分断能力50kA 额定运行 短路分断能力 50kA 控制电源AC 220V 备用回路数3 具体数量及配置如下表： 序号序号名名 称称型号规格型号规格单位单位数量数量备注备注 1 低压 配电柜 MNS 抽屉柜台1进线及切换 2 低压 配电柜 MNS 抽屉柜台1辅助配电 说明尺寸 800*800*2200（mm） 低压开关柜整体要求： （1）采用双电源切换方式，进线切换、附属配电采用独立的柜体 AA，AA1； 河北工程大学毕业设计 20 （2）1#、2#两系统低压配电柜馈出回路包括： UPS、变频器辅助、油站、冷却风扇、 风门电机、电机加热器等，主要负荷需备用； （3）相负荷均配置式保护器，保护器具备完整的保护功能； （4）操作台控制，根据负载实际要求在对应柜体上安装起、停控制按钮满足维检修 要求； 3.4.2 低压进线切换 低压配电系统的进线电源为双回路电源。现提出两种切换方式： 手动切换 在切换柜进线部分采用单刀双掷开关，用于两路进线的手动切换。开关配置相关保 护，并接入 PLC。在一路电源出现故障时及时报警，由工作人员手动及时完成回路切换。 由于低压配电系统中包含 UPS，该切换方式完全能够保证系统稳定。 自动切换 在进线部分使用双电源自动切换模式，即使用 ABB 公司 DPT 系列双电源自动切换 开关切换电源，无需其他辅助设备。该切换开关可以实现供电电源失压，缺相、断电等 故障监测及故障回路电源自动切换。具有良好的使用性能。（成本较高） 3.4.3 UPS 电源 为保证主控系统的电源安全可靠，系统设有大容量（2kVA）在线式不间断电源系统， 可以保证系统在控制器满负荷状态下，提供 2 小时的后备电源。不间断电源系统的蓄电 池组采用免维护电池。对于 AC 220V 电源系统和直流电源系统都设有短路、过流、绝缘 监视和欠压监视等保护，确保电源系统可靠。 序号序号名名 称称型号规格型号规格单位单位数量数量备注备注 1UPSAPC/2KVA台1 河北工程大学毕业设计 21 第 4 章 通风机变频监控系统设计 4.1 监控系统结构方案 系统总体结构如图 1 所示。主要由工控机、可编程控制器、电量变送器、温度变送 器及压力变送器等组成。工控机为上位机，可编程控制器 PLC 为下位机。 图 4-1 系统结构图 监控系统的功能 (l)实时监测矿井通风系统的风量、风速等参数。 (2)实时监测主通风巷的静压、全压和动压等风压参数。 (3)实时监测抽风气体中甲烷的浓度参数。 (4)实时监测每台通风机的详细运行电量参数，如三相电压、三相电流、有功功率、 无功功率和功率因数等。 (5)实时监测每台风机的前后轴的轴温度及 X、y、Z 方向的振动幅值。 (6)实时监测电动机定子的温度。 (7)卖时监测风机电动机的转速。 (8)实时模拟显示通风机通风系统运行状态图。 (9)查看温度、压力等参数的实时数据曲线，任意参数变量的历史数据记录查询， 河北工程大学毕业设计 22 实时或定时打印数据报表。 (10)具有用户操作安全登陆管理功能，防止无关人员的误操作。 (11)通过以太网实现远程通信，监测参数可上传到监控中心。 4.2 下位机系统设计 下位机由西门子 S7-300PLC 构成，负责对通风机的监测和控制，通过 MPI 总线将数 据传给上位机系统。 4.2.1PLC 简介 可编程控制器的最大特点在于：电气工程师已不再电气的硬件上花费太多的心计， 只要将按钮开关或感应器的输入点连接到可编程控制器的输入点上就能解决问题，通过 输出点连接接触器或继电器来控制大功率的启动设备，而小功率的输出设备直接连接就 可以。 可编程控制器的内部包含了具有中央处理器的 CPU，并带有外部 I/O 口扩展的 I/O 接 口地址和存储器三大块组成，CPU 的核心是由一个或者多个累加器组成，它们具有逻辑 的数学运算能力，并能读取程序存储器的内容通过计算后去驱动相应的存储器和 I/O 接口；